Подшипники являются одним из основных элементов двигателей, определяющих их ресурс и надежность.
На рис 9.1 представлены три режима работы подшипников. При неработающем двигателе (а) нагрузка на подшипники определяется массами коленчатого вала, шатунов с поршнями и маховика. Шейка вала (цапфа) при отсутствии вращения под действием действующих на нее сил под действием сил тяжести кривошипно-шатунного механизма ложится на подшипник входя в соприкосновение с ним (.рис 9.1 -а). При пуске двигателя и страгивании шейки с места возникает сухое трение и, как следствие, – интенсивный износ и нагрев (рис9.1- Ь).При последующем вращении вала поступающее в зазор масло благодаря силам вязкостного трения затягивается под шейку, и режим переходит в полусухое трение, коэффициент трения уменьшается и при полном отсоединении трущихся поверхностей слоем масла режим полусухого трения переходит в режим жидкостного трения (рис 9.1-с) – коэффициент трения достигает минимума (рис 9.2). Дальнейший его небольшой рост с увеличением числа оборотов обусловлен ростом сил жидкостного трения. Небезынтересно, что чисто теоретически, в условиях жидкостного трения при абсолютно чистом масле можно избежать какого бы то ни было износа подшипников. В создаваемом под шейкой вала масляном клине (рис.9.3) возникают силы внутреннего давления, противостоящие нагружающим шейку силам и разъединяющие трущиеся поверхности (вал всплывает над подшипником). Типичная эпюра давлений в масляном клине показана на этом же рисунке.
На установившемся режиме (постоянство нагрузок и скорости вращения) силы от скорости вращения. давления в слое масла находятся в равновесии с нагрузкой на шейку, положение шейки стабилизируется и она вращается в отверстии подшипника с определенным постоянным эксцентриситетом (расстояние от центра подшипника Мв до центра цапфы Мz), определяющим наименьшую толщину масляной пленки h0 и характеризующим минимальное расстояние между шейкой и подшипником. При изменении нагрузки на шейку, а в дизелях нагрузка на подшипники кривошипно-шатунного механизма (КШМ) определяется непрерывно меняющимися в течение рабочего цикла силами давления газов и силами инерции поступательно движущихся и вращающихся масс, центр шейки меняет свое положение, меняется и толщина пленки в зоне масляного клина. Вал то удаляется от подшипника, то приближается к нему, выдавливая масло из зазора. Минимальная величина h0 может достигать 3-5 мкм, что составляет несколько процентов от величины зазора в подшипнике и в большинстве случаев оказывается меньше большинства находящихся в масле частиц загрязняющих примесей (пропускная способность масляных фильтров обычно 12-15 мкм). Их контакт с подшипником неизбежно влечет за собой периодическое возникновение полусухого трения, появление рисок и износ.
Эксплуатация двигателя на режимах высоких нагрузок сопряжена с ростом сил давления газов и, соответственно, ростом нагрузок на подшипники, а это, как только что было показано, провоцирует повышенные износы.
Зависимость минимальной толщины масляной пленки h0 min от величины нагрузки на вал определяется также скоростью вращения вала (п об/мин) и вязкостью масла. С увеличением скорости вращения и вязкости больше масла нагнетается в зону масляного клина, давление в нем и, соответственно, его несущая способность растут, и шейка вала всплывает вверх.
Выводы:
С износом и увеличением зазора в подшипнике несущая способность масляного клина снижается, h0 уменьшается и возникает опасность появления полусухого трения и прогрессирующего износа. В противоположность отмеченному уменьшение зазора способствует росту несущей способности масляного слоя. Но здесь надо иметь в виду, что для каждого подшипника существует своя критическая величина минимально допустимого зазора, при которой в связи с уменьшением прокачиваемого через зазор масла появляется опасность сокращения количества отводимого от подшипника тепла и, как следствие – его перегрев. С повышением температуры в зоне трения вязкость масла в зазоре снижается, а это влечет за собой еще большее снижение несущей способности масляного клина. Пределы уменьшения зазора диктуются также опасностью местных перегревов из-за касания трущихся поверхностей вследствие возможной несоосности положения цапфы в подшипнике, ее овальности и эллиптичности.
Важно учитывать, что высокие износы и даже задиры в подшипниках могут возникать при пуске холодного двигателя, когда вязкость масла высокая и оно, благодаря низкой текучести, может не успеть достигнуть наиболее удаленных точек смазки. В итоге – первые обороты вала могут сопровождаться возникновением сухого или полусухого трения.
Практические рекомендации:
1. Не допускать длительной работы двигателей при низких оборотах и высоких нагрузках;
2. Не допускать разжижения масла топливом и в случае падения вязкости за допустимые пределы принимать меры к замене масла.
3. Чтобы избежать повышенных износов и возможных задиров при пуске – обязательно прокачивать масло перед пуском двигателя.
