Особености работы и характер сопряжений коленчатого вала и шатунов

Подшипники коленчатого вала и шатунов работают в тяжелых условиях. На них действуют инерционные силы движущихся масс (поршней и шатунов), усилия, возникающие в камерах сгорания от воспламенения топлива и образования рабочих газов, крутильные колебания коленчатого вала, обусловленные переменными нагрузками. Кроме того, в ряде случаев затруднен подвод смазки к шейкам коленчатого вала и верхним головкам шатунов.

Один из основных факторов, влияющих на работу сопряжений коленчатого вала и шатунов, — зазоры в подшипниках. От их значений зависит давление масла в магистрали. При нормальных условиях работы исправного двигателя в масляной магистрали поддерживается давление, необходимое для обеспечения оптимальных режимов смазки трущихся поверхностей (порядка 2,5—3,5 кгс/см2). По мере изнашивания подшипников коленчатого вала и, следовательно, увеличения зазоров в них облегчается протекание через подшипники масла, в связи с чем давление в масляной магистрали понижается. Обычно минимально допустимое давление при номинальной частоте вращения коленчатого вала равно 0,7—1,0 кгс/см2. При более низком давлении в шатунные подшипники поступает недостаточное количество масла, что вызывает резкое ухудшение смазки гильз цилиндров, поршней и поршневых колец.

При работе двигателя в картерное масло попадают загрязнения, основными источниками которых являются засасываемый в цилиндры воздух (пыль, песок и др.) и трущиеся поверхности деталей (продукты износа). Эти загрязнения, проникая в главную масляную магистраль, прежде всего вредно действуют на подшипники коленчатого вала. Наибольшему износу подвержены шейки коленчатого вала. Это объясняется тем, что при ударном приложении к шейкам нагрузки, вызываемом интенсивным сгоранием топлива и резким изменением сил инерции движущихся масс, твердые тела (абразивы, песок и др.), попавшие в масляный слой, внедряются в мягкий подшипниковый материал и царапают шейку вала. Получается подобие микрорезца, основная часть которого закреплена в мягком материале вкладыша, а выступающая часть царапает или шлифует поверхность шейки. С увеличением зазоров и с понижением давления в магистрали, вследствие недостаточного слоя масла и наличия больших переменных нагрузок на шейки коленчатого вала происходит сближение трущихся поверхностей шеек и вкладышей. Растет интенсивность внутреннего нагрева масляной пленки, что влечет за собой чрезмерное снижение вязкости масла и, следовательно, еще большее сближение трущихся поверхностей. При чрезмерно тонком масляном слое находящиеся в нем механические примеси вызывают усиленное абразивное изнашивание трущихся поверхностей. В этом случае также возрастает вероятность разрыва масляной пленки и соприкосновения шероховатостей, в результате которого происходит молекулярно-механическое (контактное) изнашивание шеек и вкладышей.

Шатунные шейки наиболее интенсивно изнашиваются со стороны, обращенной к оси коленчатого вала, что обусловлено воздействием инерционных сил, а также кратковременных нагрузок, возникающих от давления газов.

По мере увеличения зазоров в подшипниках коленчатого вала и в верхних головках шатунов наряду с нарушением условий жидкостного трения возрастают динамические нагрузки, постепенно приобретая ударный характер. Такие нагрузки вызывают дополнительные напряжения на деталях, могущие привести к авариям. Зазор, при котором нарушаются условия жидкостного трения, появляются стуки и резко возрастает интенсивность изнашивания сопряжений, следует считать предельным. Расчетные значения предельных зазоров в подшипниках коленчатого вала тракторных дизелей составляют 0,4— 0,6 мм, а в верхних головках шатунов — 0,3—0,4 мм.

На характер и интенсивность изнашивания деталей кривошипно-шатунного механизма большое влияние оказывают сорта масел, тепловой и нагрузочный режимы двигателя, частота вращения коленчатого вала, состояние агрегатов системы смазки и другие факторы.

При чрезмерной вязкости масла поступление его к подшипникам (особенно к шатунным) затруднено, в связи с чем происходит их повышенное изнашивание. Если вязкость масла слишком низкая, то толщина масляной пленки в подшипниках также недостаточна, чтобы обеспечить жидкостное трение, вследствие чего интенсивность изнашивания трущихся поверхностей также возрастает. Аналогичное влияние на интенсивность изнашивания деталей оказывает тепловой режим двигателя.

Отрицательное действие на работу трущихся пар оказывают резкое изменение частоты вращения коленчатого вала и нагрузки. При каждом резком повышении частоты вращения коленчатого вала масло, подаваемое насосом, не успевает проходить через фильтры (особенно когда они загрязнены), в связи с чем в эти моменты открывается перепускной клапан и, следовательно, к подшипникам поступает нефильтрованное масло. Кроме того, в потоке воздуха, засасываемого через воздухоочиститель, происходит гидравлический удар. Скорость потока воздуха на короткое время падает, а затем снова возрастает. В моменты падения скорости потока воздуха ухудшается работа воздухоочистителя, вследствие чего в цилиндры с воздухом попадают порции пыли. Отмеченные явления неблагоприятно отражаются прежде всего на износостойкости шеек коленчатого вала и вкладышей.

Чтобы предотвратить нежелательные последствия, необходимо возможно быстрее прогревать двигатель после запуска и поддерживать его нормальное тепловое состояние при работе трактора,плавно изменять скоростной режим, своевременно промывать масляные фильтры и заменять масло в картере.

На износостойкость деталей кривошипно-шатунного механизма значительное влияние оказывает состояние трущихся поверхностей. При наличии на поверхностях шероховатостей, рисок, вмятин, а также в случае коробления вкладышей и чрезмерной эллипсности и конусности шеек коленчатого вала масляная пленка распределяется неравномерно. В этом случае наряду, с жидкостным трением имеет место полусухое трение, в результате которого вместе с интенсивным моле-кулярно-мехаиическим изнашиванием контактируемых поверхностей происходит их значительный нагрев. По этой причине может произойти выплавление антифрикционного сплаба вкладышей и выход из строя коленчатого вала.

Если соблюдаются нормальные условия эксплуатации, своевременно и качественно проводится техническое обслуживание двигателя, то происходит естественный процесс изнашивания сопряжений кривошипно-шатунного механизма, сопровождаемый постепенным снижением давления масла в магистрали в связи с увеличением зазоров в подшипниках. Одновременно с этим увеличивается эллипсность и конусность шеек коленчатого вала, оказывая вредное воздействие на режим смазки трущихся пар. При достижении предельных зазоров в подшипниках и чрезмерной эллипсности и конусности шеек интенсивность изнашивания трущихся пар резко возрастает. Чтобы этого не допускать, необходимо своевременно заменять вкладыши с одновременной шлифовкой шеек коленчатого вала под соответствующий ремонтный размер.