Повреждения поршня
 

     Старое изречение гласит: «У успеха много отцов, но неудача – сирота». Для тех, кто ремонтирует двигатели, все наоборот: у преждевременного выхода из строя такой детали, как поршень, могут быть разные «отцы».

     Ключевая задача ремонтника – выявить истинную причину неисправности и не допустить повторения такой ситуации.

     В этой статье мы рассмотрим несколько реальных случаев поломок поршней и на их примере расскажем, как системный анализ помогает определить причину отказа и определить меры для его предотвращения.

Поверхность излома и исходная точка

     Почти каждый анализ подобных отказов показывает сходное развитие событий: зарождение усталостной трещины, дальнейшее развитие усталостной трещины и, затем, мгновенное разрушение («долом»). Когда вы исследуете обломки, попробуйте представить картину того, что произошло.

Фото 1. Стрелка слева указывает на место зарождения исходной усталостной трещины на днище поршня. От нее началось распространение усталостных деформаций, с характерными концентрическими «линиями усталости», которые напоминают следы от волн на песчаном пляже. Почти одновременно образовалась вторая усталостная трещина – правее – над бобышкой поршневого пальца. И в итоге две волны трещин соединились примерно посередине.

     Чтобы изучить место разрушения этого поршня, были распилен фрагмент детали, оставшийся целым, так чтобы стала видна поверхность трещины. Мы сделали это в лаборатории – для наглядности. Но похожие поверхности можно осмотреть и в обычной рабочей обстановке – прямо в мастерской. Подумайте, что происходит, когда подобные детали испытывают нагрузки от вращающихся противовесов коленчатого вала, шатунов или в них попадают посторонние частицы (например – болт, упавший в цилиндр), при работе двигателя. Поверхность поршня повреждается ударами и у мест повреждений зарождаются усталостные трещины (как показано левой стрелкой на фото 1).

     Когда мы режем деталь в лаборатории, мы делаем распил как можно ближе к трещине, стараясь не повредить при этом саму поверхность трещины. А чтобы полностью расколоть поршень, его зажимают в тиски и разбивают ударом молотка. Тогда мы видим третий тип поверхности излома: мгновенное, или хрупкое, разрушение.

     Каждый тип поверхности излома можно увидеть невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Анализ произошедшего с каждым из этих типов поверхностей помогает выяснить, в чем была причина разрушения.

Фото 2. Здесь днище поршня уцелело, но вот бобышки поршневого пальца разрушены. Одновременно пострадала и юбка поршня.

     Применяя наши знания о поверхностях изломов, мы рассмотрим этот поршень (см. фото 2), чтобы выяснить, почему он сломался. Поскольку бобышки разрушены, надо проверить все поверхности изломов на наличие признаков «усталости», которые указывали бы на то, что он сначала треснул, а потом сломался. Или его «разбили»? То же самое следует сделать и для юбки поршня: мы оцениваем излом на «усталость» или хрупкое разрушение.

     Этот сломанный поршень был выбран, как хороший пример «разбалтывания» пальца. Независимо от того, стала ли первопричиной поломка стопорного кольца поршневого пальца или палец изначально был установлен неправильно, но плохо зафиксированный палец выдвинулся из своего посадочного места и уперся в стенку цилиндра. А поскольку он остался связан с поршнем практически только через одну бобышку, то ее перегрузка привела к тому, что она «оторвалась» от поршня.

Фото 3. Это пример днища поршня со следом сильного удара (обведено красным).

     Легко представить сопутствующий ущерб от этого куска металла, но он дает ключ к первопричине неисправности (см. фото 3). Обычно поломка клапана и повреждение поршня идут рука об руку. Если возникают проблемы с клапанов, то поршень, скорее всего, тоже пострадает. Иногда даже трудно понять, что произошло раньше. Здесь же отчетливо видны следы ударного воздействия стержня сломанного клапана на днище поршня. Причем удары эти были неоднократными. Положение места удара позволяет понять, что произошло. Удары попадали непосредственно в центр «цековки» - выемки для клапана, указывая на то, что сначала сломался клапан (у него отлетела тарелка), а затем – вышел из строя поршень.

Катастрофический провал – или страшный «поршень в мешке»

Фото 4. Двигатель Chevrolet Big Block. Описание неисправности от заказчика: «Проработал на трассе примерно 20 минут. Один полный круг, а на втором он сломался. Обороты не превышали 6000 в минуту, ушел со старта на оборотах холостого хода».

     Забегая вперед, сразу скажем, что причиной разрушения поршня (см. фото 4, внизу справа) стали неправильно установленные стопорные кольца поршневого пальца, которые, вероятно, привели к выталкиванию пальца и, затем, к разрушению поршня. Как можно видеть, даже такая простая деталь, как стопорное кольцо, может рассказать длинную историю.

     На фото 5. вы видите фрагменты хорошего, нормально работавшего, стопорного кольца. На трех разных его участках видны следы в том месте, где кольцо входит в контакт с фаской на пальце и похожие отметки на той стороне, которая упиралась в канавку в бобышке поршня. Соответственно, на самом пальце и в поршне можно будет увидеть ответные следы контакта со стопорным кольцом.

Фото 5. Следы на кольце от контакта с поршнем и пальцем – узкие, ровные и достаточно длинные.

     А вот на стопорном кольце из отказавшего цилиндра подобного равномерного износа не видно (см. фото 6). Единственным следом контакта стала довольно заметная овальная «метка», которая сильно смещена в сторону, и «кривые» следы контакта по концам. Вывод – это стопорное кольцо не было правильно посажено в канавку на бобышке под поршневой палец.

Фото 6. Следы на кольце от контакта с поршнем и пальцем – три неровных пятна. Да еще смещенных в сторону от оси.

Полное разрушение поршня

Фото 7. Разрушенный поршень гоночного двигателя на базе Chevrolet Small Block.

     Когда мы сложили обломки детали (см. фото 7), то увидели несколько интересных моментов.

Фото 8. Первая часть юбки разрушенного поршня (вид сбоку). Красным выделен участок со следами локального износа.

     На первой части юбки поршня (см. фото 8) мы замечаем отсутствие следов истирания. Стоит напомнить, что даже если мы не находим истинную причину разрушения сразу, возможность исключить некоторые другие – тоже хорошо. В нижнем левом углу есть смещенный рисунок износа. Само по себе это не вызывает особой тревоги. Такое может возникать в зависимости от того, где юбка поршня останавливается в нижней мертвой точке (НМТ), относительно нижней кромки цилиндра.

Фото 9. Вторая часть юбки разрушенного поршня. Красным выделен участок со следами локального износа.

     На второй части юбки видны несколько иные следы неравномерного износа, расположенные выше, чем на первой части. Это указывает на то, что поршень двигался в цилиндре с перекосом (возможно из-за изгиба шатуна?).

Фото 10. Фрагмент разрушенного поршня, с бобышкой под поршневой палец.

     Собрав остальные фрагменты нижней части поршня (см. фото 10), мы видим относительно нетронутые отверстия для пальца в бобышках. Отсутствие повреждений или потертостей в данном случае помогает исключить еще несколько возможных причин. В итоге подтверждается предположение об изгибе шатунов. При разборке двигателя моторист проверил прочие шатуны, и обнаружил, что они действительно, в большей или меньшей степени, изогнуты.

Разрушение единственного поршня после 35 кругов по гоночной трассе.

Фото 11. Полностью разрушенный поршень гоночного двигателя Ford Small Block SBF D3.

     Когда остатки разрушенного поршня превращаются в «труху», определение причин разрушения становится гораздо сложнее, но всё же возможно. На фото 11 показаны рассортированные остатки поршня: крупные куски – сверху, средние – внизу, мелкие – в середине, и стальные фрагменты – отдельно от алюминиевых.

Фото 12. Два важных фрагмента поршня (слева). Справа – красным показаны ребра между бобышками.

     При сортировке фрагментов поршня особое внимание обратили на себя два отдельных фрагмента среднего размера. Стоит особо отметить, что в поршне «коробчатой» конструкции имеются внутренние ребра, соединяющие бобышки под поршневой палец (выделены красным цветом на компьютерном изображении – см. фото 12). Обе этих ребра были найдены уцелевшими, но со следами ударов от шатуна, которыми они были полностью выломаны из поршня.

Фото 13. Фрагмент юбки поршня со обширными задирами.

     Длинноходные двигатели имеют достаточно длинный шатун, а их поршни обычно достаточно короткие – с небольшой компрессионной высотой. В случае сильного трения в цилиндре, характерного при перегреве или плохой смазке, поршень может «перевернуться» в цилиндре, что приводит к его полному разрушению. Подтверждает этот вывод один из больших фрагментов – это часть юбки, на которой видны следы обширных задиров (см. фото 13).

Поломка пальца?

Фото 14. Поршень и шатун трекового двигателя Chevrolet Small Block Sportsman Circle после двух стендовых испытаний и 25–30 кругов по 600-метровой трассе (овал 3/8 мили).

     Изначально в этом случае первопричиной разрушения посчитали поломку поршневого пальца. Мы сами оценили фрагменты деталей из одного цилиндра (см. фото 14). Разумеется, мы начали исследовать их теми же методами, как описано выше, для выяснения причин разрушения бобышек под поршневой палец и поломки поршневого пальца.

Фото 15. Разрушенный шатун. Справа (вверху и внизу) видны фрагменты сломанных болтов.

     Когда анализ фрагментов поршня и поршневого пальца завел нас в тупик, мы внимательно изучили шатун. Его крышка была отделена от нижней головки. Болты развалились – сломались напополам – но, при этом, их резьбовые, нижние части, остались ввернутыми в тело шатуна.

Фото 16. Зоны излома болтов. Слева – болт с силовым характером разрушения. Справа – с усталостной трещиной.

     Изучив поверхности изломов обоих болтов, мы установили следующее (см. фото 16): один болт (на фото 15 он сверху) был просто разорван, видимо, из-за перегрузки. Другой болт (на фото 15 он снизу) имел явные следы усталостных повреждений. Этот болт был явно затянут ненадлежащим образом, что и привело к его разрушению.

Эрик Грилльо – управляющий проектным отделом компании MAHLE Motorsports.

www.aera.org/conferences