Обнаружение трещин в деталях двигателей
Обнаружение трещин в деталях двигателей
Как показывает практика, при контроле деталей нельзя ограничиваться только измерениями размеров, деформаций и износов конкретных поверхностей. Иногда на деталях обнаруживаются и другие дефекты, в частности, забоины, трещины и т.п.
Причиной появления трещин в деталях являются, в первую очередь, ненормальные условия их работы, а именно, сильный перегрев, быстрое охлаждение, ударные нагрузки и т.д. Трещины могут возникнуть также вследствие нарушения технологии ремонта. Например, подрез галтелей на шейках коленчатого вала при шлифовании приводит к образованию концентраторов напряжений и появлению трещин на краях шеек (см. раздел 9.4.). Перетяжка болтов головки блока на некоторых двигателях может стать причиной образования трещин на блоке цилиндров у резьбовых отверстий болтов. Эксплуатация двигателя в холодное время года на воде в системе охлаждения — также достаточно распространенная причина появления трещин в блоке и головке цилиндров после замерзания воды.
Трещина, возникшая в той или иной детали, редко локализуется, т.е. остается неизменной длительное время. В большинстве случаев, испытывая циклические рабочие нагрузки и циклы нагрева-охлаждения, трещина развивается дальше до поломки детали. Последствия и скорость развития трещины зависят от типа детали, материала и сечения, по которому проходит трещина. Для ответственных деталей КШМ и поршневой группы, включая коленчатый вал, шатуны и поршневые пальцы, трещина, независимо от места ее образования, практически всегда приводит к разрушению детали и выходу двигателя из строя. Менее опасны с этой точки зрения трещины в поршнях, развивающиеся по перемычкам между канавками колец, однако трещина в бобышке поршня обычно также приводит к его разрушению, что не менее опасно, чем, например, обрыв шатуна.
В корпусных деталях типа блока цилиндров и головки блока трещины, как правило, проходят в полость системы охлаж-
дения, соединяя ее с каналами систем смазки, вентиляции картера, цилиндрами, либо с окружающей средой, вызывая течи и/или перемешивание рабочих жидкостей. Помимо этого, через трещины в стенке цилиндра или камеры сгорания в систему охлаждения при работе двигателя поступают отработавшие газы, которые вытесняют охлаждающую жидкость,
резко снижая эффективность охлаждения двигателя.
В блоках цилиндров наиболее вероятно появление трещин на плоскости стыка с головкой по болтам крепления и окнам полости охлаждения, а также в верхней части цилиндра в окружном направлении. Трещины в нижней части цили
1000
ндра обычно связаны с ударами разрушенного шатуна и, как правило, располагаются вертикально (рис. 8.43).
В головках блока трещины часто располагаются между седлами клапанов, между седлом клапана и форкамерой (у дизелей), сверху по постелям распределительного вала, а также по седлу выпускного клапана (рис. 8.44).
Рис 8.43. Типичные трещины в блоках цилиндров: а — по линии отверстий болтов головки; б—аналогично с выходом на гильзу ци-линдра; в — около приливов отверстий силовых болтов; г — в гильзе цилиндра
Установка на двигатель детали с трещиной приводит обычно к его неработоспособности (выходу из строя) фазу после первого запуска или через определенное время, т.е. к необходимости повторного ремонта. Кроме того, традиционные виды ре-
монта рабочих поверхностей детали с трещиной (шлифование, хонингование и т.д.) иногда приносят убытки ремонтному предприятию, так как деталь с трещиной (например, коленчатый вал) заведомо неремонтопригодна и требует замены. Учитывая это, обнаружению трещин в деталях перед ремонтом должно быть уделено самое серьезное внимание.
Практика показывает, что далеко не все трещины на деталях удается найти визуально. Очень часто выявить трещину мешает загрязнение детали нагаром или смолами, сложный рельеф поверхности, малый размер трещины и т.п. Поэтому для получения достоверной информации о наличии трещин в ответственных деталях двигателя необходимо использовать специальные методы дефектоскопии (табл. 8.5).
Наиболее простым и дешевым является метод цветной дефектоскопии (или метод красок). Суть метода сводится к нанесению на деталь специального проникающего раствора красного цвета, а затем, после промывки детали, проявляющего раствора белого цвета. Проникающий раствор обладает очень высокой текучестью и заполняет трещину вследствие капиллярного эффекта. После нанесения проявляющего раствора контур трещин «проявляется» розовыми линиями на белом фоне.
Метод красок достаточно универсален и позволяет находить трещины шириной 0,001 мм и более в деталях из любых материалов. Его недостатком является сложность выявления трещин на шероховатой поверхности.
Метод магнитной дефектоскопии применяется только для деталей из чугуна и стали, обладающих магнитными свойствами. Деталь помещается в магнитное поле, где она намагничивается. Далее на деталь наносится контрольный агент — специальный ферромагнитный порошок или суспензия. Если на поверхности детали имеется трещина, то магнитное поле становится в этом месте неоднородным, и образуется зона скопления ферромагнитных частиц, указывающая на дефект в материале.
Разновидностью метода является метод магнитно-люминесцентной дефектоскопии.
Если в контрольный агент добавить флуоресцирующую пасту, то дефекты в материале будет отчетливо видны в темноте. Это облегчает их поиск и делает результаты проверки более достоверными.
Метод магнитной дефектоскопии дает хорошие результаты, в частности, для коленчатых валов и позволяет находить трещины, возникающие, например, при разрушении подшипников или нарушении ремонтных технологий (рис. 8.45)
Ультразвуковая дефектоскопия основана на принципе отражения ультразвуковых импульсов частотой 2-5 МГц, передаваемых в деталь, от дефектов. Отраженные импульсы преобразуются, усиливаются и передаются на экран прибора -ультразвукового дефектоскопа. Существуют также приборы для рентгеноскопическо
1000
го контроля деталей. Несмотря на большие возможности определения скрытых дефектов в любых материалах, эти методы не получили пока распространения в ремонтной практике из-за высокой цены оборудования
и его ограниченной применяемости для некоторых деталей.
Для определения скрытых дефектов достаточно широко применяется в настоящее время метод гидравлического испытания — опрессовка детали жидкостью под давлением (см. раздел 9.6.1.). Метод применим, в основном, для деталей сложной формы, имеющих внутренние полости и каналы (например, головка или блок цилиндров). Суть метода сводится к герметичному закрытию всех отверстий, выходящих на наружную поверхность детали, и нагнетанию через одно из таких отверстий воды под давлением 0,6^0,8 МПа. Если в детали имеются трещины, через них проступит вода, а ее давление в испытываемой полости будет быстро падать. «Чувствительность» метода можно несколько повысить, если применять горячую воду.
В практике ремонта иногда применяется пневматическое испытание — подача во внутренние каналы и полости детали сжатого воздуха (давление — до 0,15^-0,20 МПа) и погружение ее в воду. По пузырькам воздуха можно определить место расположения трещин или пор. Пневматическое испытание более точно указывает на расположение дефекта, но несколько менее чувствительно к микротрещинам, чем гидравлическое.
Хорошо зарекомендовало себя испытание проникающей жидкостью. Метод основан на свойстве некоторых жидкостей, в частности, керосина, быстро проникать в поры и трещины. При наличии в детали сквозных дефектов керосин, залитый в ее внутреннюю полость, постепенно проявляется снаружи. Поверхность детали предварительно покрывается меловым раствором и высушивается. Недостатком метода является трудность обнаружения дефекта в деталях сложной конфигурации, а также длительное время испытаний (до нескольких часов), если дефект слишком мал.
Помимо указанных методов, на некоторых деталях удается выявить трещины, если выполнить обработку их поверхности. Например, после пескоструйной обработки поверхность детали становится сухой, чистой, матового серого цвета. При этом масло или керосин, заполняющие дефекты, через некоторое время проступают на поверхности, проявляясь в виде «жирных» линий. Предварительная обработка рабочих поверхностей деталей шлифованием, хонингованием или другими способами также выявляет трещины. Это связано с повышенной упругостью материала у трещины, в результате чего после обработки трещина образует явную «ступень» на поверхности (рис. 8.46). Иногда даже незначительные дефекты удается обнаружить самыми простым увеличительным стеклом.
Применимость описанных выше методов определяется возможностями конкретной мастерской и квалификацией ее персонала. Чем шире используются те или иные методы дефектоскопии при ремонте, тем выше оказывается надежность отремонтированных двигателей и меньше количество отказов, связанных с возникновением и/или развитием тех или иных дефектов в материале деталей.
Рис. 8.44. Типичная трещина термоусталости между седлами клапанов (указана стрелкой) в головке блока цилиндров дизеля
Рис. 8.45. Опасные трещины на шейке коленчатого вала, выявленные методом магнитной дефектоскопии
Рис 8.46. Типичный случай «проявления» трещины после обработки детали: А — обрабатываемая поверхность: а — фрагмент детали перед обработкой; б — отжим стенки детали инструментом; в — образование ступени после работки