Учитывая, что наименьший опыт накоплен судовыми механиками по эксплуатации современных высоконагруженных многослойных подшипников, в настоящем разделе основное внимание будет уделено именно им, хотя многие из ниже рассматриваемых явлений могут быть распространены и на более старые конструкции.
Встречающиеся в процессе эксплуатации повреждения подшипников можно условно разделить на следующие группы:
1. Износ
2. усталостное трещинообразование и выкрашивание
3. коррозия
4. риски и царапины
5. эрозия и кавитация
6. фреттинг коррозия и питтинг
7. полное разрушение
В процессе нормального износа в основном изнашиванию подвергаются нижние половинки головных подшипников, верхние вкладыши мотылевых и нижние вкладыши рамовых подшипников. При этом наибольший износ отмечается в наиболее нагруженных зонах, располагающихся в средней части вкладышей по их окружности, здесь в первую очередь исчезает тонкий приработочный слой оловянного покрытия и проявляются следы финишной механической обработки. Через несколько тысяч часов на наиболее нагруженных участках может износиться оловяно-свинцовистое покрытие, толщина которого обычно составляет 0,015-0,040 мм. и тогда здесь появляется красноватый оттенок ниже лежащего электролитического слоя меди/никеля. Однако толщина медного слоя очень мала (0,0025 мм) и поэтому чаще виден уже слой алюминиевого сплава.
Ненормальные случаи изнашивания и повреждения подшипников чаще всего вызываются действием следующих причин:
- Длительная работа двигателей на режимах высоких нагрузок и оборотов, приводящая к возможному перегреву масла, снижению его вязкости и уменьшению несущей способности масляного клина;
- Работа подшипников в режиме граничного трения из-за недостаточного поступления масла (низкое давление в системе, загрязнение масляных каналов);
- Несоблюдение сроков смены масла, отсутствие контроля за его качественными показателями (истощение присадок, загрязнение масла продуктами окисления и частицами продуктов изнашивания).
- Разжижение масла топливом, попадание в него воды из системы охлаждения и пр.
Статистические исследования фирмы «Катерпиллар» показывают, что причины повреждения подшипников:
в 40-50 % случаев приходятся на наличие в масле загрязняющих примесей, попадание в него твердых углеродистых частиц и продуктов износа;
в 20-30 % – недостаточное поступление масла и снижение его вязкости;
20 % соотносятся с нарушениями при сборке и использованием некачественных деталей.
Абразивный износ.
Абразивное изнашивание чаще всего является следствием попадания грязи при небрежно проведенных работах по очистке двигателя после его переборки и ремонта.
Абразивное изнашивание вызывается также попаданием в циркулирующее в подшипниках масло твердых грязевых частиц, под влиянием которых появляются на рабочей поверхности вкладышей риски, царапины, а иногда, и глубокие борозды. В последнем случае поверхность выглядит так, как это происходит при задирах из-за недостатка масла, чрезмерно высоких нагрузок и перегрева.
Появление в масле абразивных частиц обусловливается прорывом из цилиндров газов, несущих в себе сажу и отколовшиеся частицы нагара (более мелкие частицы вдавливаются в мягкий поверхностный слой и благодаря этому не приводят к заметным повреждениям). Большая часть механических примесей должна задерживаться масляным фильтром (15-20 мкм), но при загрязнении фильтра открывается байпасный клапан и в двигатель поступает нефильтрованое масло, несущее в себе более крупные частицы. Аналогичные явления наблюдаются при прорыве фильтров.
Адгезионный износ.
Адгезионное изнашивание возникает при недостаточном поступлении масла в подшипники, чаще всего вызываемом загрязнением масляных каналов. Причинами могут быть также падение давления масла и существенное снижение несущей способности масляного клина из-за разжижения масла топливом или образования водомасляной эмульсиивследствие попадания в масло воды, увеличения масляного зазора при большом износе подшипника. Отмеченные явления приводят к контактному изнашиванию «металл по металлу», при котором сначала происходит заполировывание поверхностного слоя, сопровождающееся ростом температур в зоне трения, затем – размягчение антифрикционных сплавов, их утонение вследствие выдавливания, оплавление и их наволакивание на шейки вала.
Расслаивание.
Расслаивание антифрикционных сплавов обычно выражается в отслаивании оловянно-свинцовистого слоя от алюминиевого или алюминиевого от стальной основы вкладыша. Это происходит при многократных деформациях неплотно сидящих в расточке одшипника вкладышей под действием чрезмерно высоких нагрузок. Причиной может быть также появление задира, при котором вкладыш ерегревается и алюминиевый слой отрывается от стальной основы. Значительно реже расслаивание возникает в результате технологических нарушений, допущенных при изготовлении подшипников.
Питтинг
Питтинг, вызываемый электрическими разрядами, обычно возникает при нарушении заземления у двигателей, приводящих генераторы электрического тока, или при производстве сварочных работ. Повреждения характеризуются появлением на вкладышах рисок абразивного износа и язвин точечного характера. Затылки вкладышей также подвергаются питтингу, вокруг которого образуются зоны окисления стальной основы, часто переходящие в цвета побежалости. На шейках вала, исключая зоны маслоподводящих отверстий, иногда также наблюдаются следы питтинга. При распознавании причин повреждений важно иметь в виду, что питтингу под действием дуговых разрядов подвергаются рамовые подшипники, в то время как мотылевые остаются неповрежденными.
Кавитационная эрозия
Кавитационная эрозия подшипников является следствием образования в них паровых пузырей в зонах низкого давления и их коллапса (разрыва) при затягивании в зоны высокого давления. Давление в масляном слое растет по мере перемещения к нагруженной зоне и коллапс происходит до того, как пузырек попадает в эту зону (средняя часть вкладыша) и поэтому разрушение размещается за ее пределами, не приводя к серьезным повреждениям подшипников. Обычно кавитационная эрозия возникает при длительной работе двигателя при высоких оборотах и нагрузках и выражается в откалывании частиц алюминиевого слоя, их попадания в зазор и небольшого абразивного изнашивания вблизи коллапса.
Коррозионный износ
Коррозионный износ возникает как следствие использования сернистого топлива, работы на масле с недостаточным уровнем щелочности, наличия низких температур в системе охлаждения двигателя и пр. Коррозионному износу прежде всего подвергаются рабочие цилиндры, поршневые кольца, штоки и направляющие клапанов и, в ряде случаев, подшипники. Повреждение подшипников под действием кислотных соединений проявляется в возникновении в зонах, удаленных от действия высоких нагрузок, повышенного износа и шероховатой поверхности оловянно-свинцовистого сплава
Фреттинг-коррозия.
Фреттинг-коррозия выражается в выкрашивании частиц металла в зоне контакта под действием усталостных разрушений, вызываемых вибрациями и микроперемещениями контактирующих поверхностей.
Одновременно с фреттингом возникает коррозия. Фреттинг может происходить при достаточно малых скоростях скольжения, когда элементы длительное время находятся в контакте, что затрудняет унос продуктов износа из зоны контакта и тем самым способствует абразивному изнашиванию. Рост амплитуд микроперемещений сопровождается повышением интенсивности разрушения контактирующих поверхностей.
Процесс повреждения поверхности можно условно разделить на три этапа.
Первый этап характеризуется пластическими деформациями и упрочнением верхнего слоя в зоне контакта. Под действием колебательных нагрузок и микроперемещений в этом слое возникают усталостные напряжения. На глубине под поверхностью образуются зоны разрыхленного материала, затем происходит диспергирование верхнего слоя с образованием продуктов изнашивания.
Второй этап характеризуется дальнейшим и более активным процессом усталостного разрушения, сопровождаемого окислением продуктов изнашивания и образованием мелких каверн, в которых они концентрируются и, окисляясь, увеличиваются в объеме. Это приводит к росту внутреннего давления, под действием которого в поверхностном слое образуются микротрещины. На поверхностях присутствует налет продуктов окисления красного цвета (продуктов ржавления).
Третий этап завершает усталостные разрушения корродированных поверхностей. Отдельные каверны соединяются между собой и образуют в зонах контакта относительно обширные поврежденные площади, на которых отмечаются следы микросварки, точечного питтинга и коррозии. Эти явления характерны для тонкостенных вкладышей подшипников на их затылочной части и обусловливаются их перемещениями в постелях при недостаточно плотной посадке в них и под действием циклически меняющихся сил давления газов и сил инерции поступательно движущихся и вращающихся масс. Дальнейшее ослабление посадки вкладышей приводит к их более интенсивным колебаниям, перегреву (температура достигает 700°), сопровождаемому появлением цветов побежалости, а в отдельных случаях и проворачиванию вкладышей. Последнее влечет за собой прекращение поступления масла на смазку подшипника, образование задиров и полный выход из строя как самого подшипника, так, иногда, и коленчатого вала вследствие глубокого задира его шеек.
Фреттинг-коррозия подшипников среднеоборотных двигателей иногда наблюдается и на внутренней стороне вкладышей. Признаки – появление на рабочей поверхности темных пятен со слабой шероховатостью в зоне контакта шейки вала и вкладыша. Под микроскопом можно обнаружить наличие многочисленных каверн, образовавшихся в результате выкрашивания частиц антифрикционного сплава.
Основная причина возникновения фреттинг-коррозии – наличие микроперемещений между контактирующими поверхностями вкладышей подшипников и их постелью. Поэтому устранение фреттинг-коррозии или, по крайней мере, ее ослабление могут быть достигнуты путем увеличения сил трения между ними и жесткости конструкции. В последних конструкциях форсированных среднеоборотных двигателей повышение жесткости подшипникового узла достигается введением в крепление крышек рамовых подшипников дополнительных связей в виде поперечных стяжных болтов.
Величина сил трения между контактирующими поверхностями в большой степени зависит от того насколько правильно установлены вкладыши и обеспечена рекомендуемая величина силы затяга шпилек крышек подшипников, от которых зависит требуемое сцепление вкладыша с постелью и надежный теплообмен между ними. Фреттинг- коррозия отмечается также на стыковочных поверхностях элементов остова- причина ослабление затяга гаек соединительных болтов. В соответствии с требованиями Классификационныхт обществ проверка затяга этих болтов должна осуществляться при очередных освидетельствованиях (раз в 4 года). Это очень мало, опыт показывает, что в современных форсированных двигателях такая проверка должна проводиться каждые 6 месяцев.
Практические рекомендации:,
В процессе эксплуатации важно периодически проверять силу затяга болтов и шпилек крепления элементов остова и крышек подшипников, так как нередки случаи их ослабления, создающие условия для ухудшения прилегания вкладышей к постелям и возникновения фреттинг-коррозии. При замене вкладышей проверять величину выступания вкладыша над плоскостью разъема и ее соответствие рекомендациям фирмы.
Усталостные разрушения подшипникового сплава происходят в зоне, где контактные нагрузки наиболее высоки, а толщина масляной пленки минимальна. Трещины появляются под действием циклически-действующих нагрузок сжатия – сдвига поверхностных слоев , вызывающих в них попеременный изгиб и смещение. Направление трещин – поперек подшипника (от края до края). По мере роста числа трещин они смыкаются, и отдельные кусочки сплава и даже алюминия могут выкрашиваться. На поверхности подшипника выкрошенные участки напоминают следы, оставленные на дереве короедом.
