Виды повреждений коленчатых валов рядных и V-образных дизелей

Несмотря на низкий процент поломок и отбраковки по тре­щинам коленчатых валов, их абсолютное количество, заменя­емое новыми, ежегодно достигает нескольких сотен. Большин­ство отбракованных коленчатых валов тепловозных дизелей является валами рядных дизелей типа Д100.

Анализ статистических данных, поступающих от тепловозо-­ремонтных заводов и линейных мастерских (локомотивных де­по), показывает, что большинство трещин и поломок коленчатых валов имеют усталостный характер и чаще всего возникают в галтелях, т. е. в сопряжении шейки со щекой. При продолжи­тельной работе вала с такими трещинами они распространяют­ся на щеки с выходом на противоположные галтели.

Большой опыт эксплуатации этих валов на магистральных тепловозах показывает, что трещины и места поломок валов распределяются хотя и неравномерно, но по всем без исклю­чения шейкам и щекам, т. е. по всей длине вала (рис.3) и это дает основание считать, что коленчатые валы дизелей ти­па Д100 являются достаточно равнопрочной конструкцией. Анализ причин разрушения, а также расчет коленчатого вала на прочность подтвердили указанный вывод.

Было также установлено, что разрушение валов происходит как при малых, так и при сравнительно больших пробегах тепловоза, т. е. при малых и больших износах коренных шеек и коренных вкладышей. Однако большая часть разрушений имела место после длительной работы дизеля, соответствующей четырем-пяти годам работы тепловоза.

Исследования большого количества изломов показали, что лишь небольшой процент общего числа поломок зависит от дефектов литья в виде пористости, шлаковых включений, плен и т. п. Изломы по перечисленным причинам происходят в ос­новном на ранней стадии работы вала, т. е. при пробеге теп­ловоза 50—150 тыс. км, что соответствует первому году работы дизеля.

Большая часть поломок валов, кроме случаев хрупких раз­рушений, вызванных повреждениями смежных узлов дизеля, происходит из-за низкого предела выносливости всего вала, который, как показали испытания натурных валов до их уп­рочнения, не превышает 350 МПа. Разрушения такого ха­рактера происходят после возникновения неравномерного по длине вала износа рабочих вкладышей коренных подшипников или коренных шеек и образования завышенной суммарной сту­пенчатости между смежными коренными шейками вала.

По данным статистики, установлено, что наибольший про­цент поломок коленчатых валов дизеля типа ДЮО происходит по щекам 19 и 20 верхнего коленчатого вала. Из общего ко­личества верхних коленчатых валов, вышедших из строя по трещинам и поломкам, 55—60% приходится на валы, забра­кованные по указанным двум щекам. Значительное количество разрушений верхних и нижних коленчатых валов встречается в щеках 14, 15, 16 и 6, 7, 8 обоих валов (см. рис. 3).

Изучение характера и причин разрушения валов по этим сечениям показало, что почти во всех случаях они связаны с интенсивным износом рабочих канавочных коренных вклады­шей соответствующих шеек. Эта выработка вкладышей всегда предшествует возникновению трещин вала. Возникновение уста­лостных трещин может быть только на тех шейках, где суммар­ная разница (ступенчатость), состоящая из износа смежных ко­ренных рабочих вкладышей и соответствующих коренных шеек, достигает значительных величин. Дальнейшее развитие трещин снижает жесткость вала по данному сечению и увеличивает ин­тенсивность износа соответствующих вкладышей. Нередко мож­но видеть, что при длине трещины 100 мм и более разница в толщинах вкладышей уже достигает 0,3—0,5 мм и более.

Частые разрушения нижнего вала в щеках 19, 20 имеют другую причину. Эти разрушения вызваны не столько разницей в интенсивности износа смежных рабочих вкладышей коренных шеек 10 и 11, сколько износом рабочих вкладышей шейки 12. Установлено, что рабочий вкладыш коренной шейки 12 нижне­го вала изнашивается в несколько раз интенсивней, чем шейки 11. Вследствие этого ступенчатость между 11-й и 12-й опорами вала в период работы дизеля до первой переборки (текущего ремонта тепловоза) только по вкладышам достигает 0,1—0,15 мм (при норме 0,08), причем опора 11 всегда оказывается выше опоры 12. Это происходит в связи с тем, что коренная шейка 12 нижнего вала поддерживает тяжелый ротор тягового генера­тора. Под действием веса ротора эта шейка всегда находится прижатой к нижнему (рабочему) вкладышу, что и вызывает из­гиб вала на участке коренных шеек 10—12 с провисанием его на опоре 10. Такое провисание достигает порядка 0,12—0,16 мм и более и складывается из износа шейки и вкладыша этой опоры. При работе дизеля под действием цилиндровых сил это провисание полностью выбирается, что приводит к циклическо­му знакопеременному изгибу на участке щек 19—20. Такой из­гиб коленчатого вала способствует возникновению и развитию по указанным сечениям усталостных трещин и изломов колен­чатого вала. Как и в предыдущем случае, такие трещины раз­виваются по галтелям коренных шеек с выходом через щеку на галтель шатунной шейки 10.

Сокращение числа поломок вала по коренным шейкам 10 и 11 может быть достигнуто недопущением в эксплуатации сту­пенчатости, превышающей 0,08 мм между вкладышами 11 и 12, а также опорами 10 и 11, т. е. своевременной заменой рабочих вкладышей этих постелей.

Важным фактором, способствующим сокращению таких по­ломок, является и соблюдение соосности якоря тягового гене­ратора и коленчатого вала на всем протяжении эксплуатации тепловоза. Эта несоосность контролируется разностью в толщи­не эластичной муфты тягового генератора вверхней и нижней ее частях. Большая величина разнотолщинности свидетельству­ет о значительном износе шейки 12 нижнего коленчатого вала и ее рабочего вкладыша, т. е. о нарушении соосности якоря и коленчатого вала.Исследования напряженного состояния изношенных коленча­тых валов дизелей типа Д100 показали, что при суммарной сту­пенчатости по смежным опорам вала, равной 0,14 мм, запас прочности снижается на 25%, а при ступенчатости 0,53 мм — почти в 2 раза. Ориентировочно можно считать, что наличие суммарной ступенчатости по смежным опорам, равной расстоянию между серединами двух смежных коренных шеек, приводит к снижению запаса прочности этого вала на 100%.

Таким образом, строгое соблюдение установленных допусков на износ коренных шеек вала и коренных рабочих вкладышей способствует значительному снижению числа случаев поломок коленчатого вала.