При эксплуатации дизеля с наддувом некоторые дефекты, имеющие место у дизеля без наддува, вызывают качественно иные последствия, приводящие к отказу. 

Например, ослабление крепления выпускного коллектора, почти безобидное в первоначальный момент у дизеля без наддува, приводит к мгновенному падению давления наддува. Это, в свою очередь, вызывает ухудшение тяговых свойств автомобиля. Уменьшается весовое наполнение цилиндров воздухом, повышается температура газов в цилиндре, выпускном трубопроводе, что вызывает повышение термической напряженности деталей ЦПГ и ТКР, приводящие к отказу. Из-за повышения давления и температуры газов дефекты в системе впуска и выпуска у дизеля с наддувом могут быть чаще, чем у безнаддувного дизеля. В эксплуатации нередки случаи ослабления крепления впускной и выпускной систем /системы наддува/ на участке от головки цилиндра до турбокомпрессора. Имеют место прогар асбостальных прокладок, потеря упругости резиновых прокладок, что приводит к разгерметизации системы наддува и отказам турбокомпрессора. Характер таких отказов приведен в табл. 3.6 вертикальные графы 13 и 15. Причины разгерметизации впускной и выпускной систем различны, поэтому рассмотрим их отдельно.

Особенности конструкции выпускной системы дизеля приведены на рис. 3.16. Выпуск газов из четырех цилиндров одного блока осуществляется в один выпускной коллектор. Выпускной коллектор состоит из двух частей. Передний коллектор 1 отливается из серого чугуна СЧ15-32 и не подвергается термообработке. Задний коллектор 2 отливается из специального чугуна такого же химсостава, который подобран для отливки корпуса турбины. Отливка коллектора проходит высокотемпературный отпуск при 680°С в течение 17 часов. При сборке дизеля передний коллектор вставляется в расточку заднего коллектора с зазором. Это, так называемое, втулочное соединение.

Рис. 3.16 Схема выпускной системы дизеля ЯМЗ-238ПМ (а) и 238Б (в)

1 — передний коллектор; 2 — задний коллектор; 3, 5, 6, 8 — патрубок; 4 — компенсатор; 7 — сильфон.

Далее выпускные газы через патрубок 3, компенсатор 4 и подводящий патрубок 5 поступают в корпус турбины. Соединение чугунных патрубков 3 и 5 с компенсатором 4 также втулочного типа. Зазор в соединениях 0,05—0,165 мм. относительная длина L=L/d = 0,23. Здесь d — длина соединения, L — диаметр втулки компенсатора. Передний и задний коллекторы крепятся к головке цилиндров болтами. Болты, по два на каждый фланец, сварного типа. Гайка из стали 40Х наворачивается на один конец шпильки и по торцу приваривается электросваркой. Для изготовления шпильки М10 X 1,25 применяется сталь 40Х9С2. Для уплотнения газового стыка между фланцем коллектора и головкой цилиндра устанавливается прокладка из асбостального полотна с металлической окантовкой или прокладка толщиной 0,8 мм из листовой стали Х18Н9Т. Болт М10 X 45 через промежуточную чугунную втулку высотой 20 мм заворачивается в головку моментом 3 кгм.

Кажущаяся простота конструкции болтового соединения обманчива. Особенно это относится к болтовому креплению выпускных коллекторов. На это болтовое соединение действует вибрация деталей и переменная по времени температура газов, достигающая 700°С. При этом максимальная температура выпускного коллектора достигает 450°С, втулки под болт — 360°С, а болта — 350°С. Разность температур по толщине фланца коллектора составляет 65°С, а температура болтов крепления одного фланца к головке цилиндров отличается почти на 100°С. Наиболее нагретым является верхний болт. При таком большом градиенте температур происходит коробление фланцев; нарушение плоскостности привалочной поверхности. Неплоскостность фланцев выпускного коллектора даже при небольшом пробеге 10000—50000 км может достигать 0,2—0,3 мм. При нагреве коллектора происходит и его удлинение, превышающее 1 мм.

При затяжке болта создается трение между соприкасающимися поверхностями соединяемых деталей, причем, именно благодаря трению, предотвращается относительное /поперечное/ перемещение деталей в плоскости перпендикулярной оси болта. Следовательно, если к соединению будет приложена в поперечном направлении динамическая нагрузка, то между контактирующими поверхностями возникнет небольшое боковое скольжение. Существует мнение, что достаточно всего лишь 100 циклов боковых скольжений, чтобы ослабло болтовое соединение. Динамической нагрузкой в данном случае является усилие от деформации деталей при циклически меняющейся их температуре. Усугубляется это явление вибрацией двигателя, которая создает дополнительную динамическую нагрузку на болтовое соединение.

Наличие податливого элемента в болтовом соединении, каким является прокладка, уменьшает усилие сжатия деталей, а значит и трение между витками резьбы, при усадке прокладки. Трение под головкой болта уменьшается в результате бокового скольжения коллектора. Поэтому, при усадке асбостальной прокладки или потере упругости зигов металлической прокладки происходит ослабление затяжки болта, а под действием вибрации и полное его выворачивание. Увеличение первоначальной затяжки болта от 3 до 7 кгм не устраняет ослабление крепления выпускного коллектора, а лишь оттягивает время наступления отказа. При циклической деформации коллектора происходит изгиб стержня болта, что уменьшает трение под головкой болта и ослабляет болтовое соединение. Возможен обрыв болта.

Об относительном боковом скольжении деталей соединения свидетельствует и разрушение прокладки у отверстия под болт. Причем дефект этот отмечается как у асбостальной, так и металлической прокладок. Защитить прокладку от разрушения можно, если зафиксировать ее. Наилучшим решением была бы фиксация прокладки на втулке, вставленной в расточку выпускного канала и выступающего относительно поверхности головки на 3÷5 мм. Как показали опыты, газовый стык фланец коллектора — прокладка — головка цилиндров работает в этом случае значительно надежнее.

В последние годы в мировом двигателестроении получили распространение различные способы стопорения болтового соединения. Их можно разделить на три группы: отдельные стопорящие детали, химические вещества и самостопорящаяся резьба.

Отдельные стопорящие детали устанавливаются между гайкой и плоскостью скрепляемой детали. Стопорение осуществляется в результате дополнительного трения при создании усилия прижима детали. К таким деталям относятся всевозможные шайбы с рифлениями, пружины, пластины, пластмассовые вставки и др.

Стопорение резьбы с помощью химических веществ означает нанесение различных смол и анаэробных клеев /герметиков/ на поверхность резьбы.

Повышение трения в резьбовом соединении можно достичь и с помощью деформации резьбы, создающей эффект самостопорения, или использования специальных резьб фасонного профиля.

Первые две группы способов не применимы для крепления выпускного коллектора, так как химические стопорящие вещества работают при температуре не выше 200 °С, а шайбы и пластины — не исключают бокового скольжения деталей соединения.

Наиболее надежным способом обеспечения постоянного усилия в резьбовом соединении является способ затяжки по величине удлинения болта, который также можно отнести к третьей группе. Болт затягивается до достижения определенного значения напряжения, но в пределах упругой деформации. При таком способе крепления между соединяемыми деталями всегда действует стяжное усилие, обусловленное величиной удлинения болта.

При затягивании относительно короткого и «жесткого» болта М10 X 45 увеличение крутящего момента, например, от 3 кгм до 5 кгм, совсем не означает, что будет обеспечено и большее усилие затяжки. Считается, что 85% крутящего момента и усилия затяжки болта поглащает трение в витках резьбы и под головкой крепежной детали. Лишь 15% крутящего момента превращается в зажимное усилие. Перераспределение этих составляющих зависит от точности геометрической формы резьбы, шероховатости поверхности деталей и др. Поэтому, хотя крутящий момент до сих пор остается наиболее распространенным критерием усилия затяжки, такой метод вовсе не является наиболее точным.

Применение для крепления выпускного коллектора более длинного болта М10 X 75 с утоненным до Ø8 мм стержнем, обеспечивает постоянное прижатие коллектора за счет упругих деформаций болта при его удлинении. При наработке дизеля в пределах 2000 часов не было отмечено ослабления крепления коллектора.

К сожалению, крепить выпускной коллектор болтом увеличенной длины затруднительно, мешает рама автомобиля. Особенно неудобно затягивать нижний болт фланца коллектора у 4-го и 8-го цилиндров. Компромиссным решением может быть введение обязательной подтяжки выпускных коллекторов, закрепленных болтом М10X45, непосредственно после обкатки дизеля на стенде завода. Как показали опыты, предварительная подтяжка выпускных коллекторов перед установкой дизеля на автомобиль, исключает ослабление болтов при пробеге автомобиля свыше 100000 км.

При нагреве деталей выпускной системы происходит их тепловое расширение. В случае установки турбокомпрессора сзади двигателя над маховиком, перемещение фланца патрубка, подводящего газы к турбине, может достигать 3—4 мм. Столь большие деформации вызывают поломки кронштейна турбокомпрессора, обрыв крепежных соединений, разворот корпуса турбины и др. По этой причине относительно длинные выпускные системы выполняются разрезными. На дизеле ЯМЗ-238ПМ между задним коллектором и корпусом турбины устанавливается соединительная втулка-компенсатор, позволяющая компенсировать несоосности деталей и тепловые деформации. Но при этом возникает другая проблема — проблема герметичности подвижного втулочного соединения, исключение утечки газа.

Утечки газа через втулочные соединения при работе дизеля на холостых оборотах при небольшой нагрузке не приводит к ощутимым ухудшениям технико-экономических показателей, так как такие режимы работы характеризуются достаточно высоким значением коэффициента избытка воздуха d>2. При работе дизеля по внешней скоростной характеристике /при полной подаче топлива/ значение коэффициента избытка воздуха d=1,4—1,9, а температура выпускных газов перед турбиной достигает 700°С. На этих режимах работы утечка газа через втулочные соединения недопустима, так как это понижает давление наддува и приводит к ухудшению технико-экономических показателей дизеля. Уменьшение зазора во втулочном соединении исключает утечку газа, однако при высокой температуре газов 600—700 °С происходит заклинивание соединения, теряется его подвижность.

Были приведены экспериментальные исследования втулочных соединений из различных материалов, отличающихся зазором и относительной длиной. Оборудование стенда позволяло замерять величину утечки газа /расхода/ при изменении температуры и давления газа.

У дизеля ЯМЗ-238ПМ патрубок 3, рис. 3.16, отливается из специального чугуна, а компенсатор 4 изготавливается из нержавеющей стали Х18Н9Т. Зазор в соединении патрубок-компенсатор 0,05—0,165 мм, относительная длина соединения L=L/d=0,23. При максимальном зазоре 0,165 мм, температуре 600 °С и избыточном давлении 1 кгс/см² утечка газа через соединение достигает 110 л/мин. Через все подвижные соединения выпускной системы дизеля, выполненные с максимальным зазором, утечка составит 2% от расхода газа через турбину. При температуре 600°С увеличение длины втулочного соединения до L=0,35 и зазоре 0,17 мм уменьшает утечку газа в 3—4 раза и полностью ее исключает при повышении температуры до 700 °С.

Втулочное соединение, собранное с зазором 0,05 мм, неработоспособно, так как происходит его заклинивание, что затрудняет, а иногда и делает невозможным его разборку. Необходимо выполнять втулочное соединение с зазором не менее 0,1 мм. Дополнительная установка бандажа на шарнирное соединение компенсатора в виде наружного кольца, свариваемого встык, повышает надежность шарнирного соединения.

Конструктивное решение большинства технических проблем всегда являются компромиссным между эффективностью, стоимостью и трудоемкостью изготовления. Исключить утечку газа в выпускной системе можно иным путем, как это показано на рис. 3.16 в. Функции компенсатора в выпускной системе выполняет сильфон 7, выполненный из гофрированной нержавеющей стали. К корпусу турбины и патрубку 6 сильфон крепится тремя болтами. Для уменьшения гидравлического сопротивления и защиты наружной гофрированной поверхности от прогара внутрь сильфона установлен экран из гладкой трубы. Экран со стороны входа газа приварен к фланцу. Такое конструктивное решение реализовано для дизеля ЯМЗ-238Б и 238Д. Стоимость сильфона в несколько раз выше стоимости втулочного компенсатора, больше и трудоемкость изготовления. Ресурс сильфона определяется, в основном, качеством сварного соединения экрана. При некачественной сварке под действием вибраций сварной шов может трескаться, а при больших несоосностях деталей экран может касаться гофр. В результате образуется прогар сильфона и разгерметизация системы выпуска. Сильфон выполнен из стали толщиной 0,2 мм, поэтому недопустимы забоины, удары и другие механические воздействия, т.к. это приводит к его повреждению.

Разгерметизация впускной системы обусловлена ослаблением болтовых соединений, потерей упругих свойств резиновых прокладок, недостаточной прочностью соединительного шланга. Вследствие более низких, по сравнению с деталями выпускной системы, температур деталей впускной системы, ослабление болтового соединения здесь весьма редкое явление, которое полностью можно отнести к разряду производственного отказа. Разгерметизация впускной системы вызвана, в основном, потерей упругих свойств резиновых прокладок, растрескиванием, затвердеванием и ослаблением и расслаиванием соединительного шланга.

Схема впускной системы дизеля ЯМЗ-238ПМ приведена на рис. 3.17. Турбокомпрессор на дизеле установлен так, что ось ротора ТКР перпендикулярна оси коленчатого вала или, как принято называть, турбокомпрессор установлен поперек дизеля. Впускной коллектор 1 является общим для 4 цилиндров одного блока. Отливается он из алюминиевого сплава АЛ—4, затем проходит закалку и отпуск. Коллекторы крепятся к болту гайками М10Х1,25 по две на каждый фланец.

Рис. 3.17 Схема впускной системы дизеля ЯМЗ-238ПМ.

1 — впускной коллектор одного блока цилиндров; 2 — резиновая прокладка; 3, 5 — соединительный патрубок; 4 — паронитовая прокладка; 6 — шланг; 7 — корпус компрессора ТКР

Рис. 3.18 Втулочное соединение впускных коллекторов, патрубков

1, 2 — коллекторы; 3 — резиновое кольцо

Под каждый фланец устанавливается паронитовая прокладка толщиной 1,2 мм. В середину впускного коллектора каждого блока подается воздух от компрессора 7 через соединительный патрубок тройникового типа 3. Этот патрубок также алюминиевый. Стык между фланцами коллекторов и патрубка уплотняет резиновая прокладка 2 толщиной 6±0,3 мм. Прокладка изготавливается из резины марки 7—9831 на основе нитрильного каучука СКН. К соединительному патрубку 3 через резиновую или паронитовую прокладку 4 приворачивается патрубок 5. Патрубок 5 соединяется с корпусом компрессора 7 шлангом 6, изготовленным из рукава 40У90—30 ТУ380.056016—72. Толщина стенки шланга 5 мм. Шланг в сечении имеет две тканевые прослойки, разделенные резиной. По техническим условиям при работе в среде воздуха шланг сохраняет работоспособность в интервале температур от -55 до +70°С в течение 1000 мото-часов. Шланг крепится двумя ленточными стяжными хомутами. При работе дизеля максимальная температура внутренней поверхности шланга на 20° С ниже температуры наддувочного воздуха и достигает 100—110°С на номинальном режиме. По толщине шланга температура не одинакова, наружная поверхность на 20°С меньше, чем внутренняя. В результате низкой термостойкости резиновых слоев, высокой температуры воздуха, превышающей допустимую для данного материала, происходит растрескивание и расслоение шланга. Такой дефект отмечается после 500—600 часов работы /пробег автомобиля 20000—30000 км/. На дизелях ЯМЗ применяется и втулочное соединение двух патрубков или коллекторов, как это показано на рис. 3.18. Герметичность соединения обеспечивается резиновым уплотнительным кольцом 3, устанавливаемым в канавку. Как показали измерения, температура резинового кольца всего лишь на 1—2°С ниже температуры наддувочного воздуха в широком диапазоне нагрузок. При среднем эффективном давлении дизеля р_е=11 кгс/см² температура кольца достигает 135—140°С. Кольцо из резины 7—9831 на основе нитрильного каучука имеет сравнительно небольшой ресурс. Через 500—600 часов работы кольцо грубеет, делается ломким и не герметизирует соединение. Поэтому в зависимости от уровня форсирования дизеля для обеспечения уплотняющих свойств кольца в течение всего срока эксплуатации дизеля необходимо делать кольца из резины с повышенной технической характеристикой. В табл. 3.7 приведены основные характеристики различных марок резины, из которых могут изготавливаться прокладки и кольца.

Таблица 3.7

Основные характеристики резин /ТУ 38.005.204—84/

Разгерметизация в соединении впускной коллектор 1 — соединительный патрубок 3, рис.3.17, обусловлена быстрым старением резиновой прокладки 2. При старении резины ее поверхность делается твердой, хрупкой, а сердцевина остается упругой. Такая прокладка имеет большую остаточную деформацию и не пригодна к дальнейшей работе. Такой отказ возникает через 20000—30000 км пробега автомобиля. Лучшую работоспособность имеют прокладки из резины на основе фторкаучука и особенно силиконового каучука, табл. 3.7. Однако отсутствие в достаточном количестве силиконовой и фторкаучуковой резины временно вынуждает завод применять резину на основе нитрильного каучука.

Многочисленные опыты на дизелях различного уровня форсирования позволяет обобщить полученные результаты по применению различных марок резины для изготовления уплотнительных колец и прокладок в системе наддува, включая и турбокомпрессор. В обобщенном виде эти данные приведены в табл. 3.8.

Таблица 3.8

В эксплуатации замена резиновой прокладки, утратившей уплотнительные свойства, паронитовой недопустима. Паронитовая прокладка толщиной 3 мм не обеспечивает герметичность стыка. Неплоскостность подсоединительных фланцев по чертежу допускается до 0,1 мм. В процессе эксплуатации отмечается коробление фланцев и неплоскостность увеличивается до 0,3 мм. В силу сложной размерной цепочки деталей впускной системы имеет место и определенная непараллельность фланцев впускных коллекторов обоих блоков. Паронитовая прокладка не может герметизировать стык коллектор-соединительный патрубок. Для повышения герметичности различных стыков в системе наддува дизеля ЯМЗ-238ПМ, включая и турбокомпрессор, необходимо изготавливать прокладки и уплотнительные кольца из резины ИРП-1314 на основе фторкаучука. Это позволит увеличить наработку дизеля до отказа и исключит случаи разгерметизации системы наддува.

Г. М. Савельев, Б. Ф. Лямцев, Е. П. Слабов
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ЯМЗ С НАДДУВОМ
1988