Характер износов прецизионных деталей

Плунжерные пары. Различный характер износа прецизионной поверхности плунжерных пар представлен на рис. 47. Количественные соотношения выхода из строя плунжерных пар по видам износа могут существенно отличаться в зависимости от конструктивных особенностей насоса, технологии изготовления и ремонта его прецизионных пар, а также сложившихся условий эксплуатации.

Абразивный износ (рис. 47, А) увеличивает зазоры между прецизионными поверхностями, изменяет состояние прецизионной поверхности (шероховатость) и ее геометрическую форму. Результаты измерений золотниковой части плунжерных пар дизеля 2Д100 в течение 382 тыс. км приведены на рис. 48. За первые 50 тыс. км пробега средний диаметральный зазор между плунжером и гильзой увеличивается не

только за счет абразивного износа, но и в равной степени из-за приработки прецизионных поверхностей. Этим объясняется и несколько более высокий темп изменения диаметральных размеров при последующих переборках. После периода приработки износ принимает более установившийся характер с тенденцией увеличенного темпа развития местного износа головки плунжера в зоне рабочих подач между нагнетательной и отсечной кромками. Непосредственными измерениями, а также путем оценки изменения плотности плунжерных пар установлено, что увеличение среднего диаметрального зазора в золотниковой ча-

Рис. 47. Характер износа прецизионных поверхностей деталей плунжерных пар:

.4 - абразивный износ; Б - задиры и схватывания; В - каверны кавитации и эрозии; Г - разрушения рабочих кромок; Д - коррозия сти контрольных плунжерных пар дизелей 10Д100 за пробег 180 - 212 тыс. км составляет при эксплуатации тепловозов в европейской части СССР 0,61 мкм (при максимальных износах до 1,5 -2,0 мкм).

Установлено также, что в летний период темп нарастания износа, как правило, на 25-40% выше, чем в зимний. Для дизелей 11Д45 увеличение среднего диаметрального зазора, измеренного в плунжерных парах контрольного насоса, проработавшего 120 тыс. км составляло «1,3 мкм, после пробега 324 тыс. км - 1,8 -2,7 мкм и 607 тыс. км - от 3,2 до 5,1 мкм. Несколько больший темп износа имеют плунжерные пары дизелей типа Д50. Так, при переборках топливных насосов через 100-120 тыс. км увеличение среднего диаметрального зазора в золотниковой части находилось в пределах от 0,7 до 2,6 мкм. Расположение местного износа на головке плунжера одной из контрольных пар насосов дизелей типа Д100 после пробега 382 тыс. км, полученного методом искусственных баз, показано на рис. 49. Наибольшие местные износы находятся в зоне между нагнетательной Я и отсечной О кромками (пояс 7-

Нарастание износов плунжерных пар

Рис. 48. Нарастание износов плунжерных пар: 1 - увеличение среднего диаметрального зазора; 2 - нарастание максимального местного износа головки плунжера

Износ головки плунжера

Рис. 49. Износ головки плунжера:

/-IV- поясы нанесения лунок; А - номер лунки; В - износ, мкм

II, лунки 1, 2*) и в 2-4 раза превышают средний износ головки плунжера. Применение профилографирования позволяет еще более точно оценить очертания и глубины зон локальных износов и разрушений. Из профилограмм (рис. 50) изношенных участков головок плунжеров после пробега 247 тыс. км и пары, имеющей значительно более длительный срок службы (рп =1,1 с), можно видеть, что уже в начальной стадии эксплуатации наблюдается увеличение шероховатости, а также появление отдельных глубоких рисок до 0,3 -0,4 мкм. При длительной эксплуатации в результате абразивного воздействия шероховатость на рабочих участках может увеличиваться до Яа = 0,1 -г 0,3 мкм.

В результате длительного воздействия абразивного износа, а также «закусывания» крупных инородных частиц, поступающих вместе с топливом, происходят завалы и разрушения рабочих кромок плунжера (см. рис. 47, Г). Возможны также случаи контактирования кромок плунжера с деформированной от монтажных сил и рабочих давлений поверхностью гильзы. Кроме того, через разрушенный участок кромки в момент перекрытия отсечного окна, выталкивается топливо, движущееся с большой скоростью и высоким давлением. Это создает условия для дополнительного эрозионного разрушения пораженного участка кромки. Такие совме щенные разрушения можно наблюдать как на нагнетательных, так и отсечных кромках плунжеров и на соответствующих кромках отверстий гильз. Глубина завала (скруглення) отсечных кромок при достижении предельной плотности плунжерных пар может составлять 6-12 мкм на длине от края до 0,1-0,5 мм (см. рис. 50).

На основании обработки круглограмм построены зоны гидроабразивного износа прецизионной поверхности гильзы у отсечного окна (рис. 51). Локальные изношенные участки выше и левее кромки окна проявляются уже после пробега 50- 130 тыс. км. При пробеге до 400 тыс. км износ вблизи окна и завалы кромок доходят до 1,2 мкм (зона б). Результаты непосредственных измерений в различных поясах плунжеров и гильз показали, что износ уплотнительной части во всех кон струкциях пар достаточно равномерен и в 2 - 3 раза меньше, чем в золотниковой. Износ поверхностей гильзы, как правило, составляет 30 - 60% среднего износа плунжера в соответствующих сопряженных поясах.

Приведенные данные по темпам нарастания износа от абразивного воздействия показывают, что возможный срок эксплуатации плунжерных пар до достижения предельных диаметральных зазоров (8 - 15 мкм) может составлять более 1 млн. км пробега тепловоза. Однако, как это вытекает из статистических данных, средний срок службы плунжерных пар значительно меньше. Это объясняется выходом из строя большого их количества (от 50 до 85%) по другим видам износа. Так, в больших количествах встречаются задиры прецизионных поверхностей (см. рис. 47, Б). Заа - после работы 247 тыс. км; 6 - после более длительной эксплуатации; О - кромка отсечная; Я-нагнетательная диры могут возникать от расклинивания в зазоре между прецизионными поверхностями крупных инородных частиц абразива или металла, поступающих вместе с топливом. Этот вид дефекта возникает также от контактного схватывания в результате молекулярного сцепления трущихся прецизионных поверхностей при нарушении в локальной зоне нормального рабочего зазора. Уменьшение зазора может являться следствием чрезмерных монтажных деформационных изменений формы прецизионной поверхности гильзы, а также результатом объемных деформаций деталей пары из-за некачественной термообработки. Кроме того, в эксплуатации встречаются случаи массовых задиров и зависаний плунжерных пар вследствие попадания воды в топливо. В этом случае вода (в эмульсионном состоянии) уменьшает смачивающую способность, что приводит к разрыву топливной пленки в зазоре и молекулярному сцеплению трущихся поверхностей со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Профилограммы продольных (I) и поперечных (II) сечений рабочих участков изношенной поверхности головки плунжеров

Рис. 50. Профилограммы продольных (I) и поперечных (II) сечений рабочих участков изношенной поверхности головки плунжеров:

В ряде случаев на плунжерных парах имеют место кавитационно-эрозионные разрушения, характеризующиеся образованием каверн и размыванием участков прецизионной поверхности (см. рис. 47,5). Кавитация обусловливается местным падением давления в потоке, возникающим при перекрытии отсечных органов, а следовательно, возможностью выделения из жидкости паров воздуха (местное закипание) с последующей конденсацией паров в области повышенного давления. Кинетическая энергия частиц, заполняющих с большой скоростью полости конденсирующихся пузырьков, вызывает местный гидравлический удар, сопровождающийся резким повышением давления в этой точке и разрушающий поверхность металла. Само направленное действие потока (струи жидкости) на поврежденную кавитацией поверхность повышенной шероховатости также вызывает разрушение металла - эрозию. Каверны этого типа разрушений расположены и зарождаются обычно вблизи нагнетательных отсечных кромок плунжера. С течением времени каверны распространяются как в глубину, так и по площади. Глубина каверн за пробег 200 тыс. км иногда достигает 50 - 60 мкм, площадь поражения 4 - 6 мм2 (рис. 52).

Зоны местного износа гильзы у отсечного окна глубиной

Рис. 51. Зоны местного износа гильзы у отсечного окна глубиной: а - от 0,2 до 0,8 мкм; б - от 0,8 до 1,2 мкм

Коррозионные поражения (см. рис. 47, Д) носят точечный характер разрушения прецизионной поверхности. Обычно можно наблюдать следы коррозии у пар, имевших контактирование с водой, попавшей в топливо, особенно имеющее повышенное содержание серы. На дизелях типа Д49 вследствие коррозионного воздействия отработанного масла и картерных газов наблюдаются коррозионные поражения уплотняющей прецизионной поверхности плунжеров со стороны хвостовика. В случаях повышенного содержания воды в таком масле глубина каверн достигает 15 - 30 мкм за пробег тепловоза до 400 тыс. км.

Рис. 52. Профиллограмма участка головки плунжера, пораженного кавитационным разрушением: А - образующая головки;

Б - каверна

При этом ухудшается подвижность плунжера и появляются задиры, что ограничивает срок службы плунжерной пары.

Распылители форсунок. Износ направляющей прецизионной поверхности распылителя чаще всего носит абразивный характер. Встречаются также коррозионные поражения и случаи потери подвижности (зависания) иглы в канале корпуса распылителя. Для распылителей, прошедших ремонт, в том числе восстановление уплотняющей способности конуса, характерны также неравномерные износы и истирания прецизионной поверхности от попадания абразива пасты. Увеличение среднего диаметрального зазора, оцененное непосредственными измерениями, в распылителях, не имевших ремонта в течение пробега до 135 - 200 тыс. км, составляет 0,4 -0,6 мкм (Д49) и 0,4-1,1 мкм (Д100, Д50).

Необходимо отметить, что встречаются случаи и уменьшения среднего диаметрального зазора, вызываемого отложением на прецизионных поверхностях пленок оксидного или лакового характера, являющихся продуктами окисления и полимеризации составляющих топлива. Ухудшение подвижности игл и появление натиров может быть вызвано попаданием на прецизионную поверхность со стороны хвостовика иглы продуктов износа опорных поверхностей штанги и пружины форсунки.

Сроки службы распылителей в большой степени определяются износостойкостью его запирающей конической поверхности, износ и разрушение которой приводят к ухудшению качества распыливания топлива и потере герметичности (подтеканию). Характер и интенсивность износов и разрушений конических поверхностей распылителей зависят от ряда эксплуатационных факторов, особенностей конструкции и технологии изготовления. К эксплуатационным факторам следует отнести; преобладающие режимы работы дизелей, определяющие температуру запирающего конуса и сопла, и качество протекания процессов окончания впрыскивания; качество топлива и его состав, в том числе по содержанию серы, механических примесей и воды; систему ремонта, включая особенности технологических приемов восстановления. Из конструктивных особенностей необходимо отметить в первую очередь жесткость конструкции форсунки, определяющую возможность возникновения деформационных изменений геометрии прецизионной поверхности от воздействия монтажных и рабочих нагружений; уровень контактных напряжений, возникающий на конической поверхности и зависящий от скорости посадки иглы и ее массы; подбор материала пары и технологии его упрочнения.

Профилограммы образующих конусов иглы И и корпуса К распылителя, собранного взаимной притиркой

Рис. 53. Профилограммы образующих конусов иглы И и корпуса К распылителя, собранного взаимной притиркой:

а - в продольном сечении; б - в поперечном сечении (биение) в зоне контакта

Характер износа конической поверхности распылителя, собранного взаимной притиркой конусов, можно проанализировать по профилограммам конуса корпуса и иглы распылителя дизеля 11Д45 (рис. 53), снятым после пробега 279 тыс. км. Обращает на себя внимание глубокая (до 7-10 мкм) выработка г в продольном сечении конуса корпуса. Эта выработка образована в основном при взаимной притирке с иглой в процессе изготовления и ремонта распылителя. На сопряженной поверхности конуса иглы, начиная с уплотнительного пояска В, также имеется вытертая поверхность, повторяющая профиль выработки конуса корпуса. Развернутые профилограммы поперечного сечения этих поверхностей!, записанные в зоне предполагаемого контакта, указывают на большое количество трещин в металле иглы (сталь Р18), а также отдельных сколов и вмятин на азотированной поверхности конуса корпуса. Образование микротрещин глубиной до 1,0 -1,5 мкм при очень малом

1 Сняты на профилографе-профилометре как биение конической поверхности относительно цилиндрической прецизионной.

угле раскрытия можно отнести к усталостному характеру, вызванному приложением большего количества ударных циклических нагрузок (до 100 млн. соударений за 1000 ч работы). Появление вмятин и сколов глубиной от 2 до 10 мкм, как правило, связано с попаданием в зону конусного уплотнения инородных частиц, поступающих вместе с топливом. Сколы получаются и в результате развития микротрещин усталостного характера при длительной работе. Однако дефектный слой, пораженный микротрещинами, из-за малой глубины почти всегда полностью снимается при ремонте в результате взаимной притирки конусов, и тем самым предотвращается дальнейшее развитие разрушений контактной поверхности.

Профилограммы и круглограммы (рис. 54) конических поверхностей опытных распылителей дизелей типа Д100 (бесподго-ночной сборки) иллюстрируют механизм изнашивания и развитие износа на этапах работы после пробега тепловоза 7; 180 и 480 тыс. км. На игле уже после пробега 7 тыс. км (сечение I) контактная кромка преобразуется в поясок шириной 0,1 - 0,15 мм. При увеличении пробега ширина пояска в зоне контакта растет в среднем до 0,55 мм при пробеге 180 тыс. км и до 0,8 мм при пробеге 480 тыс. км. На поверхности конуса корпуса при пробеге 180-480 тыс. км в зоне контакта имеется кольцевая канавка глубиной 1,0-1,5 мкм и шириной от 0,5 до 1,0 мм.

В поперечном сечении II в начальный период работы характер износа контактной кромки определяется макрорельефом, полученным при изготовлении. В дальней шем нормальный эксплуатационный износ, вызываемый ударами запирающей поверхности иглы в сопряженную поверхность корпуса, сопровождается уплотнением этих поверхностей, образованием наклепного слоя металла и его взаимным истиранием. На определенном этапе такой износ с внедрением деталей друг в друга приводит, по-видимому, к некоторой приработке контактных поясков конуса корпуса и иглы и улучшает его геометричность.

Профилограммы (1 - продольное сечение, II - поперечное) и круглограммы (III) образующих конусов распылителей после пробега

Рис. 54. Профилограммы (1 - продольное сечение, II - поперечное) и круглограммы (III) образующих конусов распылителей после пробега:

о - 7 тыс. км; б - 150 тыс. км; в - 450 тыс. км

Появление микротрещин усталостного характера незначительной глубины (до 1 мкм), как это имеет место при пробеге 180 тыс. км (см. рис. 54,6, II, III), еще не является признаком интенсивного разрушения контактной поверхности. Срок службы распылителя определяется количеством допустимых циклов соударений, после которых начинается развитие усталостных микротрещин в сколы, и в основном зависит от уровня силового воздействия и качества материала. В данном случае начальные признаки такого разрушения можно наблюдать у распылителей, проработавших 480 тыс. км.

Появление же раковин и вмятин на конических поверхностях в начальной стадии эксплуатации вызывается обычно попаданием в зону контакта конусного уплотнения инородных частиц, являющихся продуктами износа деталей топливной аппаратуры и технологической грязью. В начальной стадии эксплуатации усталостные разрушения могут появляться и в распылителях, имеющих более высокие ударные напряжения в конических поверхностях. Профилограммы 1 и круглограммы II конической поверхности распылителей, забракованных из-за потери герметичности, приведены на рис. 55. Распылители работали в форсунках, форсированных по гидравлическому и силовому воздействию на коническую запорную часть более, чем в предыдущем случае (ход иглы 0,75 мм, масса 16 г). Причиной негерметичной работы распылителя после пробега 10 тыс. км были вмятины глубиной до 9 мкм с углом раскрытия 20-30°, появление которых связано с попаданием в зону запирающего пояска технологической грязи, вымываемой во время работы из топливоподводящих каналов. Кроме того, на контактном пояске иглы этого распылителя уже наблюдаются отдельные микротрещины и сколы с углом раскрытия 3 - 5°, глубиной до 2 мкм. При длительной эксплуатации (200 тыс. км) таких распылителей износ сопряженных контактных кромок конуса (см. рис. 55,6) уже характеризуется комбинированными видами разрушений, в том числе и кавитационно-эрозионными поражениями.

Коническая поверхность иглы распылителя форсунки дизеля типа Д49 и профилограммы поперечного сечения ее шейки и уплотнительного пояска конуса, имеющих кавитационно-эрозионные разрушения после работы в эксплуатации 220 тыс. км, представлены на рис. 56. Кратеры на шейке носят характер грубой полировки, разрушающей поверхность на глубину от 0,4 до 2,5 мкм. Кавитационно-эрозионные поражения на уплотнительном пояске иглы, как правило, развивают разрушения от трещин и сколов и достигают глубины 2,5 мкм.

Коническая поверхность иглы, выходящая за пределы конуса корпуса (см. рис. 56, а), имеет еще более глубокие (до 7 мкм) кратеры кавитационно-коррозионного поражения. В иностранной литературе [53] изучению и устранению кавитационно-эрозионных разрушений распылителей уделяется определенное внимание. Установлено, что зона образования кавитационных пузырьков, попадающих в дальнейшем в распылитель, может находиться в отсечной полости плунжерной пары, а также во всех других элементах топливной системы, где очевидны резкие изменения проходных сечений и острые кромки. Разрушение кавитационных пузырьков происходит в момент посадки иглы вследствие резкого перекрытия потока топлива и прижатия пузырьков волной давления топлива к поверхности шейки и кромке иглы.

Профилограммы (I) и круглограммы (II) образующих конусов забракованных распылителей после пробега

Рис. 55. Профилограммы (I) и круглограммы (II) образующих конусов забракованных распылителей после пробега: а - 10 тыс. км; 6 - 200 тыс. км

Преждевременные отказы распылителей, в том числе из-за потери герметичности, часто появляются из-за допущенных нарушений в производственных технологических процессах термохимической обработки. Так, повышенная хрупкость азотированного слоя на конусе корпуса приводит к быстрому образованию сколов на контактной кромке, а пониженная твердость металла (НЛС<23) сердцевины корпуса-к продавливанию упрочненной поверхности и образованию глубоких вмятин.

Ухудшение качества распиливания может быть связано с забросом газов через распыливающие отверстия в камеру распылителя. Первопричиной этого явления помимо неотработанности конструкции аппаратуры может быть ухудшение подвижности иглы, что приводит к отложению нагара внутри распылителя, лакообразова нию, повышению температуры носика сопла.

Появление нагара на сопле вызывает уменьшение эффективного сечения распы-ливающих отверстий и их загорание. Износ распиливающих отверстий сопловых наконечников форсунок дизелей типа Д100 не лимитирует их работу до пробега 600- 800 тыс. км. Срок службы сопел до браковочных значений во многом определяется качеством и стабильностью технологических процессов изготовления распиливающих отверстий. Так, у значительного количества сопел форсунок дизелей типа Д49 отмечено резкое изменение пропускной способности уже при пробеге 10 - 50 тыс. км. В эксплуатации встречаются случаи разрушения сопловых наконечников форсунок дизелей типов Д49, 11Д45 по распыливающим отверстиям, а также от рыва носиков от корпусов распылителей дизелей типов Д50 и 68310011. Такие отказы, как правило, связаны с производственными дефектами (повышенная хрупкость азотированного слоя, сквозная цементация стенок). Подобные отказы могут вызываться увеличением выхода распылителя в камеру сгорания, длительной работой форсунки с распылителем, имеющим зависшую иглу, или неудовлетворительной герметичностью.

Нагнетательные клапаны. Дефектами конической поверхности клапанов являются вмятины и раковины от попадания в контактный поясок инородных частиц. Значительные выкрашивания на конической поверхности, а также изломы и трещины возникают из-за некачественной термической обработки. Нормальный эксплуатационный износ контактного пояска от действия циклической ударной нагрузки представляет собой истирание и уплотнение сопряженных поверхностей. С учетом неоднократных притирок для восстановления герметичности глубина взаимного втирания поясков может увеличиться до 60 - 80 мкм при ширине 0,4-0,6 мм. Износ цилиндрических направляющих клапанов и их корпусов, как правило, не нарушает работу клапана.

Износ прецизионной цилиндрической поверхности разгружающего пояска нагнетательных клапанов носит характер абразивного изнашивания с закусыванием и дроблением инородных частиц при перекрытии нагнетательной полости. Кроме того, в процессе монтажных и рабочих нагружений вследствие деформаций направляющей поверхности корпуса клапана может возникнуть защемление сопряженных

Коническая поверхность иглы распылителя форсунки дизеля типа Д49

Рис. 56. Коническая поверхность иглы распылителя форсунки дизеля типа Д49: о - внешний вид; б и в - профилограммы в поперечном сечении ее шейки и уплотнительного пояска конуса

поверхностей, а следовательно, и их повышенный износ. Это обстоятельство объясняет возникновение глубоких продольных рисок (до 1,2 мкм) по всему периметру разгружающегося пояска на отдельных клапанах уже в начальной стадии эксплуатации. Нижние кромки разгружающих поясков при длительной эксплуатации (более 400 тыс. км) имеют завалы на длине 0,1 - 0,3 мм глубиной от 3 до 10 мкм, при этом средний диаметральный зазор составляет 25-45 мкм.

Профили кулачковых валов. Значительные разрушения рабочих поверхностей кулачков в виде сколов и выкрашиваний глубиной от 0,2 до 1,0 мм возникают, как правило, от ударных нагружений при разрушениях и заклинивании деталей толкателя и топливного насоса. Питинговый характер поражений, выражающийся в поверхностном местном выкрашивании металла с образованием большого количества ямок и углублений, встречается у аппаратуры дизелей, более нагруженной силовыми воздействиями, а также при недопустимых отклонениях и перекосах контактных поверхностей роликов толкателей.

При нормальных условиях эксплуатации и пробеге до 1 млн. км износ на рабочих участках профиля кулачка достаточно равномерен и не выходит за пределы допусков на новые изделия. При более длительной эксплуатации, а также после ремонтных операций необходимо контролировать геометрию профиля, так как из-носы могут вызвать недопустимую разрегулировку аппаратуры.

Пружины узлов топливной аппаратуры. В процессе работы аппаратуры теряется упругость пружин, уменьшается их высота в свободном состоянии и изнашиваются опорные витки. Установлено, что изменение характеристик новых пружин форсунок вследствие остаточных деформаций требует обязательной подрегулировки более 50 % форсунок после пробега 10 -

20 тыс. км. В дальнейшем характеристики пружин все более стабилизируются, обеспечивая в допустимых пределах сохранение давления начала открытия игл форсунок за пробег 60 - 75 тыс. км.

Недопустимая разрегулировка топ ливных насосов дизелей типов Д100 и Д49 после пробега 200 тыс. км вызывается, как правило, изменением характеристики пружины нагнетательного клапана. Характеристики пружины изменяются вследствие производственных дефектов изготовления, а также дополнительных деформаций, возникающих из-за нарушений при выполнении технологии сборки насоса и ремонта деталей, сопряженных с пружиной.

Износы и отказы узлов аппаратуры | Топливные системы тепловозных дизелей. Ремонт, испытания, совершенствование. | Изменение характеристик топливной аппаратуры и дизеля