Поломки поршня и поршневых колец

При эксплуатации двигателя поршни могут ломаться под воздействием больших сил или в результате усталостного излома.

рис. 1

Излом из-за больших сил (рис, 1) вызван всегда посторонним телом, сталкивающимся при работе двигателя с поршнем. Это могут быть отломавшиеся частицы шатуна, коленчатого вала, клапанов или тому подобное. В случае попадания воды и топлива в цилиндры также может появиться излом поршня вследствие влияния больших сил. Поверхности излома вследствие влияния больших сил имеют серый цвет, без истирания и растровых линий. Поршень ломается внезапно без постепенно образовывающегося излома.

При усталостном изломе (рис. 2) на поверхности излома образовываются растровые линии, позволяющие выявить происхождение и развитие излома. Поверхности излома часто имеют блестящую поверхность и места истирания. Причиной усталостного излома является перегрузка материала поршня. Перегрузка возникает из-за детонационного воспламенения,сильных сотрясений поршня, напр., в результате сталкивания головки поршня с головкой блока цилиндров или слишком большого зазора юбки. Слишком большие деформации поршневого пальца из-за перегрузки (прогиб и деформация до овальной формы) приводят к трещинам в ступицах или в опорах. Кроме того, усталостный излом может быть вызван трещинами от термического напряжения на днищах поршня.

Поломка поршня в ступице поршневого пальца

Описание повреждения

В оси отверстия поршневого пальца показана типичная усталостная трещина ступицы в начальной стадии (рис. 2). Трещина имеет форму полукруга вокруг исходной точки. Из начальной трещины в течение короткого времени образовывается излом, который делит поршень до днища на две части, как это показано на рис. 1 (поршень разрезан для анализа снизу, первоначальная трещина проходила от отверстия для пальца до днища поршня).

рис. 2 Поперечное сечение бобышки поршня

Оценка повреждения

Поломки ступиц появляются в результате перегрузки. Причиной этому может быть недостаточное снабжение маслом. Маленькая трещина в ступице пальца, возникшая из-за перегрузки, увеличивается затем также при нормальной нагрузке и в конечном счете приводит к расколу или излому всего поршня.

Возможные причины повреждения

• нарушение режима сгорания, особенно внезапное воспламенение из-за задержки зажигания.

• чрезмерное или ненадлежащее применение средств помощь при пуске в холодном состоянии.

• цилиндр при неработающем двигателе заполнился водой, топливом или маслом (гидравлический удар).

• повышение мощности (напр., электронный тюнинг

с использованием серийного поршня.

• применение неподходящих или облегченных поршневых пальцев. Из-за овальной деформации пальца происходит перегрузка опоры пальца.

Излом поршня в результате сталкивания днища поршня с головкой блока цилиндров

Описание повреждения

На поршне на рис, 1 видны следы ударов на днище поршня. Поршень ударялся как по поверхности головки, так и по обоим клапанам. Как следствие сотрясений и воздействия больших сил в работе образовался излом в направлении пальца.

В поршне на рис.2 юбка поршня имеет излом в нижней канавке маслосъемного кольца. Поверхности излома имеют характер усталостного изломе

Оценка повреждения

Из-за чрезвычайно быстрых жестких ударов при сталкивании днища поршня с головкой блока цилиндров поршень испытывает такое сотрясение, что в нем появляются трещины. В поршнях с нижним маслосъемным кольцом (как на рис. 2 при этом почти всегда ломается юбка в зоне нижней канавки маслосъемного кольца. Из-за сталкивания с головкой блока цилиндров происходит перекос поршня в цилиндре и поршень в дальнейшем ударяет юбкой о стенку цилиндра. В связи с тем, что толщина материала в зоне нижней канавки маслосъемного кольца меньше, чем, напр., на жаровом поясе, поршень ломается в этой зоне.

Возможные причины повреждения

• Зазор между днищем поршня в верхней мертвой точке и головкой блока цилиндров оказался недостаточным. Причины могут быть в следующем:

а) монтаж поршней с неправильной высоты головки поршня. При капитальном ремонте часто дополнительно обрабатывается торцевая поверхность блока цилиндров. Если после обработки используются поршни с первоначальной высотой головки, то выступ поршня может оказаться слишком большим. В случае ремонта поэтому предлагаются поршни с уменьшенной высотой головки, так что выступ поршня остается в пределах диапазона допуска, определенного изготовителем двигателя.

б) недостаточная толщина уплотнения головки блока цилиндров. Многие изготовители предусматривают для одного и того же двигателя уплотнения головки блока цилиндров различной толщины. С одной стороны, это необходимо для компенсации суммирования допусков конструктивных элементов при производстве, с другой стороны, для регулирования выступа поршня при ремонте. Поэтому при ремонте необходимо всегда следить за тем,чтобы использовались уплотнения головки блока цилиндров предписанной толщины материала. Только так можно гарантировать, что после ремонта будет достигнут предписанный зазор между днищем поршня в верхней мертвой точке и головкой блока цилиндров. Толщина уплотнения должна быть вновь определена по указаниям изготовителя двигателя на основе выступа поршня, если в ходе ремонта предусмотрена доработка или замена блока цилиндров.

Внимание:

Контроль свободного хода, который после капитального ремонта двигателя проводится вручную прокручиванием двигателя несколько раз в холодном состоянии, не является гарантией того, что поршень после достижения двигателем рабочей температуры не столкнется с головкой блока цилиндров. Из-за нагрева поршня и шатуна они расширяются также в продольном направлении, что уменьшает зазор между днищем поршня и головкой блока цилиндров. При этом особенно в больших двигателях для грузовых автомобилей с большой высотой головки поршня появляются существенные изменения размеров, которые сокращают свободный ход поршня в верхней мертвой точке еще на несколько десятых долей миллиметра.

• слишком большой зазор в опорах шатунов или изношенный подшипник шатуна, особенно при очень высокой частоте вращения при движении в спусках.

Вымывание материала в зоне колец (поломка колец)

рис. 2

Описание повреждения

В участке колец в зоне первой канавки для колец вымывается материал в большом объеме до днища поршня. Канавка кольца имеет сильный осевой износ. В днище поршня имеются вмятины от кусков первого кольца. Юбка поршня имеет в некоторых местах матовый вид пемзообразной структуры.

Оценка повреждения

В связи с сильным осевым износом канавки, особенно на канавке первого кольца, повреждение в описанном случае возникло,безусловно, только в результате попадания загрязнений в камеру сгорания. Загрязнения отлагаются также в канавке кольца и вызывают на кольце и в канавке кольца абразивный износ. В результате этого зазор кольца по высоте все больше повышается. Кольцо с сильно уменьшенным поперечным сечением,в конечном счете, не смогло выдержать давления сгорания и сломалось. В результате этого отломившийся кусок кольца смог еще более свободно перемещаться в увеличивающейся канавке и постоянным биением вызвал вымывание. Когда вымывание достигло днища поршня, куски поршневого кольца попали в зону между днищем поршня и головкой блока цилиндров, что привело к дополнительным повреждениям на днище поршня и головке блока цилиндров.

Возможные причины повреждения

• при сильном осевом износе канавки кольца и поршневых колец это может быть вызвано только попаданием посторонних тел в камеру сгорания, см. к этому также пункт 3.11.2 Износ поршней, поршневых колец и цилиндров вследствие загрязнений»

• при сильном радиальном износе колец без осевого износа переполнение топливом является вероятной причиной, см. к этому также пункт 3.11.3 Износ поршней, поршневых колец и цилиндров вследствие переполнения топливом»

• даже если канавки колец и поршневые кольца исправны и из короткого времени работы после капитального ремонта может возникнуть повреждение из-за неправильного монтажа поршня. Поршневые кольца могут поломаться при вставке поршня в цилиндр, если их недостаточно вдавливают в канавку. Это часто происходит тогда, когда используемая лента натяжения колец неправильно положена вокруг поршня и неправильно натянута или если используется неправильный или поврежденный инструмент для ввода поршня при сборке.

• Вибрирование колец из-за слишком большого зазора колец по высоте. Это состояние может появиться в том случае, если при ремонте двигателя установлен только новый комплект колец, хотя канавки для колец в поршне тоже уже были изношены. Кольца из-за большого зазора переходят в вибрирование и могут поломаться. Другой причиной слишком большого зазора колец по высоте может быть применение неправильного комплекта колец. Кольца могут иметь недостаточную высоту, поэтому зазор в канавке уже при сборке слишком большой.

• Кроме того, к таким повреждениям могут привести неподходящие для применения поршни. Поршни для дизельных двигателей имеют упрочняющую вставку для кольца из никелесодержащего чугуна в связи с нагрузкой и с необходимым сроком службы. Кольца без упрочняющей вставки по экономическим причинам в дизельных двигателях, как правило, применяются только в том случае, если ожидаемый срок службы скорее низок. Это касается, напр., сельскохозяйственных машин. Если такой поршень без упрочняющей вставки должен работать более длительное время или выполнять больший пробег, то износостойкость канавок для колец может оказаться недостаточной для предусмотренного срока службы двигателя. В какойто момент размеры канавок из-за естественного износа увеличатся настолько, что появляется вибрирование и кольца ломаются.