I. Łożyska układu tłokowo-korbowego

Dominującym rodzajem łożysk w układach tłokowo-korbowych okrętowych silników spalinowych są łożyska ślizgowe. Łożyska te mogą mięć Panwie grubościenne, o stosunku grubości do średnicy czopa g/d > 0,04 oraz panwie cienkościenne o g/d ≤ 0,04.

Panew grubościenna pod obciążeniem zachowuje swój kształt, a gniazdo obudowy łożyska określa tylko jej położenie.

Panwie cienkościenne, dzięki swej malej grubości, po zamontowaniu w obudowie przyjmują kształt otworu wewnętrznego, ściśle uzależniony od kształtu otworu obudowy. Z tego względu panwie te są całkowicie wymienne, co ułatwia naprawę.

Obecnie w łożyskach układu tłokowo-korbowego silników średnio i­ szybkoobrotowych stosuje się niemal wyłącznie panwie cienkościenne. Panwie takie znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie także w silnikach wolnoob­rotowych dużych i wielkich mocy.

1. Zależnie od rodzaju konstrukcji rozróżnia się panwie :

• Panew dwuwarstwowa składa się najczęściej ze stalowej (zawartość węgla 0, I =0 2%) skorupy (łuski) i warstwy ślizgowej ze stopu łożyskowego na osnowie cyny, brązu ołowiowego lub stopu aluminium. W silnikach wolnoobrotowych dużej i wielkiej mocy coraz częściej stosuje się brąz ołowiowy, który umożliwia stosowanie cieńszych warstw i zapewnia przenoszenie większych nacisków. Ponieważ brązy te są twardsze, mniej plastyczne oraz wymagają dłuższego okresu docierania niż białe metale, stosuje się podczas docierania silnika oleje z dodatkiem siarki (por. rozdz. 14.3) oraz specjalną obróbkę powierzchni brązowej warstwy ślizgowej. Obróbka ta polega na nagniataniu wylanej warstwy brązu frezem zębatym tworzącym na powierzchni panwi siatkę wgłębień o rozmiarach 1 ,0 x 1,5 mm i większych. Tak przygotowaną powierzchnię warstwy brązu wylewa się stopem łożyskowym na osnowie cyny i roztacza na wymagany wymiar średnicy. Po obróbce powierzchnia ślizgowa panwi przyjmuje deseń siatki

Rys. 7.74. Panew o siatkowej powierzchni ślizgowej

1 - stalowa skorupa; 2 - warstwa brązu ołowiowego; 3 - forma ukształtowania powierzchni; 4, 5-powiersrhnia łożyska po i przed roztoczeniem

Takie łożysko bardzo dobrze dociera się, zachowuje dobre własności wytrzymałościowe.

Powłoki ślizgowe nakładane są galwanicznie lub chemicznie na warstwę ślizgową z brązu ołowiowego lub stopu aluminium w celu lepszego dopasowa­nia powierzchni panwi do czopa, umożliwienia wchłonięcia twardych zanieczyszczeń znajdujących się w oleju, zapewnienia możliwie małego tarcia oraz ochrony panwi przed korozją. Grubość powłoki na brązie ołowiowym nie przekracza 0,05 mm, a na stopie aluminium wynosi zaledwie 0,004 mm i mniej. Materiałem powłok są miękkie metale, takie jak: ołów, cyna, ind lub ich stopy. Przykładami stopów stosowanych jako powłoki panwi dwuwarstwowych (bi­metalowych) są stopy dwuskładnikowe typu Pb+5% In lub Pb+ 10% Sn

tr

Panwie cienkościenne wykonywane są jako części zamienne o wymiarach zarówno nominalnych, jak i naprawczych. Unika się więc wykonywania w czasie naprawy trudnych zabiegów technologicznych związanych z dopaso­waniem nowych panwi. Panwie te wymagają jednak bardzo dokładnego wykonywania otworów ich gniazd, gdyż po montażu nie podlegają żadnej obróbce, oraz dokładnego dokręcania śrub pokryw łożyska

W łożyskach silników starszego typu z panwiami grubościennymi stosuje się w płaszczyźnie podziału łożyska mosiężne, brązowe lub stalowe podkładki regulacyjne o tolerowanej grubości, służące do regulacji .luzu łożyskowego, którego wartość nominalną dla danego łożyska podaje się w DTR silnika. Rozwiązanie takie stosowane jest w silnikach Sulzer typu BH/BAH.

Najczęściej przyjmuje się, że optymalne warunki pracy łożyska powstają przy luzie w łożysku równym 0,001d (d średnica czopa).

Luz zbyt maty może spowodować zatarcie łożyska, natomiast zbyt duży wymaga znacznych wydajności pompy olejowej. Położenie panwi w gnieździe jest ustalane najczęściej kolkami ustalającymi (panwie grubościenne) lub odpowiednimi zagięciami na zewnątrz fragmentu krawędzi na powierzchni podziału panwi (tzw. wąsy w panwiach cienkościennych).

Kołki i wąsy ustalające położenie panwi służą do ustalenia położenia panwi względem obudowy, a nie do zabezpieczenia panwi przed obrotem. W razie obrotu momentem tarcia żle pasowanej panwi elementy te z reguły ulegają ścięciu. Panwie grubościenne powinny być pasowane w taki sposób, aby moment tarcia. na zewnętrznej powierzchni panwi był większy od momentu tarcia na jej warstwie ślizgowej, dążącego do obracania panwi w kierunku obrotu czopa. Pasowanie panwi w otworze stopy korbowodu lub gnieździe łożyska głównego na średnicy powinno być przylgowe (w silnikach średnio- i szybkoobrotowych H7/j6, w wolnoobrotowych H8/j7), a pasowanie na długości (panwie z kołnierzem) - suwliwe H7/h6 lub HB/h7.

Zużycie i uszkodzenia łożysk

Zużycie łożysk wału korbowego wiąże się bezpośrednio z charakterem zużycia czopów wynikającym z rozkładu obciążeń łożyska. Najbardziej nierównomierny rozkład obciążeń i związany z nim rozkład zużycia występują w łożyskach korbowych, w mniejszym stopniu - w łożyskach głównych.

W znacznie gorszych warunkach pracują łożyska sworzni wodzika, ponieważ występują tam większe obciążenia i gorsze warunki smarowania (mniejsze prędkości względne i zmiana kierunku obrotu co każde 180° OWK)

Zużycie warstwy ślizgowej panwi oraz współpracujących z nimi czopów powoduje zwiększenie się luzów w łożyskach. Wzrost luzu łożyskowego prowadzi do zmniejszenia się nośności łożyska i minimalnej grubości filmu olejowego, w skrajnym wypadku zakłócając warunki wynikające z hydro­dynamicznej teorii smarowania, co prowadzi do zatarcia .

Przyczyny uszkodzeń

Do najczęściej występujących w praktyce rodzajów zużycia i uszkodzeni łożysk ślizgowych należy zaliczyć:

• zużycie trybologiczne (ścierne, przez utlenianie, adhezyjne) lub zatarcie,

• uszkodzenia zmęczeniowe,

• uszkodzenia korozyjne,

• uszkodzenia erozyjno-kawitacyjne,

• lokalne przegrzanie łożyska.

Intensywność zużycia powierzchni ślizgowej panwi grubościennych wyla­nych białym metalem zależy od wielu czynników i może być rożna dla poszczególnych łożysk tego silnika. Na przykład do czynników powodujących nadmierne zużycie warstwy ślizgowej panwi łożysk wodzikowych można zaliczyć:

• niedostateczną sztywność wodzika i łba korbowodu (podczas pracy silnika łeb korbowodu i wodzik odkształcają się sprężyście, co powoduje nadmier­ne naciski na wewnętrzne fragmenty panwi),

• zbyt grubą warstwę stopu łożyskowego powodującą spadek wytrzymałości zmęczeniowej,

• stosowanie rowków typu "jaskółczy ogon" dla zwiększenia przyczepności stopu łożyskowego do stalowej skorupy panwi (ostre krawędzie rowków stają się karbami konstrukcyjnymi, obecność wzdłużnych i poprzecznych rowków utrudnia staranne przygotowanie powierzchni skorupy panwi przed wylaniem stopu łożyskowego, co z kolei może spowodować złe przyleganie stopu po wylaniu),

• zły stan powierzchni czopów (zbyt duża chropowatość, obecność rys i bruzd, falistość powierzchni, nadmierne odchyłki kształtu czopów),

• błędy technologii wylania panwi,

• zanieczyszczenia oleju smarowego,

• naruszenie wymaganych odchyłek położenia elementów. układu tłoko­wo-korbowego (niewspółosiowość czopów głównych wału korbowego, nadmierne sprężynowanie ramion wykorbień, nadmierne odchyłki równoległości osi czopów głównych oraz korbowych) itp.

Zużyte trybologiczne łożysko wykazuje na swojej powierzchni ślady podob­ne do uszkodzeń korozyjnych, przy czym pozostała powierzchnia warstwy ślizgowej bywa nie naruszona. Strefa przejściowa do warstwy brązu ma powierzchnię gładką, co wskazuje na tarciowy charakter zużycia.

Zatarcie (zużycie adhezyjne II rodzaju) łożyska jest powodowane niedostateczną grubością filmu olejowego i występującym przy tym stykiem metalicz­nym wierzchołków nierównomierności czopa i panwi na dostatecznie dużej powierzchni i w dostatecznie długim czasie. Zjawisko takie może wystąpić w łożysku wskutek wadliwej obróbki mechanicznej powierzchni panwi (np. skrobania), której następstwem będzie nierównomierna grubość szczeliny olejowej, wskutek czego wystąpią lokalne styki metaliczne czopa i panwi. Ponieważ temperatura topnienia stopu jest niska, wystąpią najpierw zatarcia lokalne, które mogą się rozprzestrzeniać na całą powierzchnię łożyska.

W cienkościennych łożyskach ślizgowych zatarcie łożyska może nastąpić wskutek zmiany kształtu panwi w następstwie nierównomiernego naprężenia śrub łożyskowych. Odkształcenie panwi może być tak duże, ze wystąpi lokalne, niebezpieczne zmniejszenie bądź całkowity zanik luzu w łożysku. Odkształcenie to może być więc przyczyną lokalnego nadmiernego zużycia bądź tez zatarcia łożyska.

Osłabienie zacisku wstępnego panwi w łożysku i obrót panwi w gnieździe łożyska prowadzą do poważnych uszkodzeń panwi, gniazda łożysk i czopa wału.

Uszkodzenia zmęczeniowe występują w łożysku bądź wskutek niedosta­tecznej wytrzymałości zmęczeniowej stopu łożyskowego, bądź wskutek wa­dliwego związania stopu łożyskowego z podłożem (skorupą łożyska). Cha­rakterystyczną cechą tego uszkodzenia jest siatka drobnych pęknięć na po­wierzchni ślizgowej łożyska i jako dalsze następstwo - poodrywany stop łożyskowy.

Uszkodzenie zmęczeniowe, wywołane zbyt dużą amplitudą obciążeń pulsujących, może wystąpić między innymi w razie:

- nadmiernych luzów łożyskowych,

- drgań czopa spowodowanych niewyrównoważeniem wału, - przeciążenia łożyska,

- niewłaściwego montażu łożyska (przesunięcie półpanwi).

Uszkodzenia korozyjne w łożyskach ślizgowych są następstwem korozji chemicznej, elektrochemicznej lub tarciowej.

Uszkodzenia spowodowane korozją chemiczną lub elektrochemiczną występują w łożyskach najczęściej wskutek zmiany własności oleju smarowego, na przykład obecności w oleju kwaśnych produktów jego utleniania. Uszkodzenia tego typu nie występują w łożyskach, których warstwę nośną stanowią stopy aluminiowo-cynowe.

Korozja tarciowa występuje na zewnętrznych powierzchniach panwi oraz na powierzchniach styku półpanwi górnej i dolnej. Ten rodzaj korozji wywołują ruchy oscylacyjne istniejące pomiędzy powierzchniami tarcia. Zjawiska tego typu występują najczęściej w cienkościennych łożyskach, w których panew nie jest dostatecznie związana z obudową łożyska. Przyczyny tego rodzaju uszko­dzeń mogą należeć zarówno do grupy błędów montażowych, na przykład niedostateczny zacisk panwi w obudowie, jak i konstrukcyjnych . Uszko­dzenia erozyjne mogą występować w okolicy kanałów smarowych. W łożyskach silników napędzających prądnice może wystąpić erozja elektrostatyczna (jednocześnie na powierzchni czopa i panwi).

Uszkodzenia kawitacyjne pojawiają się wraz z wysokim doładowaniem, zwłaszcza w silnikach z panwiami trójwarstwowymi. Charakterystyczną cechą uszkodzeń kawitacyjnych jest to, że nie obejmują całej powierzchni ślizgowej, lecz występują jako uszkodzenia lokalne w pobliżu krawędzi otworów i rowków smarowych oraz wszędzie tam, gdzie amplituda ciśnienia szybko się zmienia.

Lokalne przegrzanie łożyska powstaje pod wpływem zakłócenia stanu równowagi cieplnej, na przykład wskutek znacznego lokalnego zmniejszenia grubości filmu olejowego. Tego rodzaju uszkodzeniu towarzyszy najczęściej uszko­dzenie powierzchni nośnej stopu łożyskowego. W znacznie obciążonych trójwarstwowych łożyskach ślizgowych jest zatem bardzo istotne dokładne przyleganie panwi do gniazd łożyska.

Weryfikacja łożysk

W zakres weryfikacji łożysk wchodzą oględziny zewnętrzne, uzupełnione niekiedy badaniami nieniszczącymi oraz pomiary luzów. Dla większości silników średnio- i szybkoobrotowych wymaga się również dodatkowych pomiarów grubości panwi.

Oględziny zewnętrzne łożysk mają na celu wykrycie oznak zużycia lub uszkodzeń. Ogląda się zarówno panwie łożysk, jak i współpracujące z nimi powierzchnie gniazd i czopów. Kontrola stanu tych powierzchni uzupełnia ocenę charakteru i przyczyn zużycia panwi. Oględziny powierzchni ślizgowej panwi umożliwiają ocenę jej zużycia i wykrycie pęknięć stopu łożyskowego. W tym ostatnim wypadku ważną rolę spełniają badania defektoskopowe, zwłaszcza metody penetracyjne.

Stwierdzenie pęknięć stopu łożyskowego (cynowego lub ołowiowego) panwi grubościennych nie musi spowodować konieczności ich regeneracji. Ogólnie przyjmuje się, że jeśli linia pęknięcia nie tworzy zamkniętego zarysu oraz gdy

występują tylko 3=4 włoskowate pęknięcia o długości do 30=40 mm, nic wchodzące na krawędzie łożyska lub na rowki olejowe, to panew może być pozostawiona bez regeneracji, o ile obszar występowania pęknięć nie prze­kracza 40% powierzchni przylegania panwi do czopa, zawartej w kącie środkowym 130= 140°, bez uwzględnienia powierzchni rowków olejowych położonych w tej części panwi.

Dopuszcza się również do dalszej pracy takie panwie, u których w rejonie pęknięć nie stwierdza się oderwania warstwy stopu łożyskowego od stalowej skorupy, a takie jeśli występuje pęknięcie o linii zamkniętej, gdy powierzchnia zawarta w środku zarysu pęknięcia nie przekracza 15% powierzchni roboczej panwi. Jeżeli stop łożyskowy zawarty w zarysie linii pęknięcia utrącił przyczepność do podłoża, to należy przeprowadzić regenerację panwi przez miejscowe lutowanie stopem łożyskowym lub wylanie na nowo całej panwi .

Niekiedy stwierdza się nawalcowanie stopu łożyskowego w rowki olejowe, miejscowe wykruszenie białego metalu oraz porysowanie powierzchni roboczej panwi. Na powierzchniach czopów współpracujących z panwiami również można stwierdzić nawalcowanie stopu łożyskowego, co jest spowodowane złym stanem powierzchni czopów najczęściej zbyt dużą chropowatością.

Panwie wylane brązem ołowiowym z nałożoną galwanicznie powloką ślizgową powinny mięć jednolitą szarą i matową powierzchnię roboczą. Zwierciad­lane wybłyszczenia na środku powierzchni roboczej panwi trójwarstwowych mogą wystąpić nawet po krótkim czasie pracy łożyska. Miejscowe wybłyszczenia powstają w fazie docierania się łożyska i zanikają po dłuższym okresie pracy. Nie są to groźne postacie zużycia i takie panwie można przeznaczyć do dalszej pracy.

Wybłyszczenia występujące na obu krawędziach panwi są wynikiem niewłaściwego ułożenia wału korbowego, który waha się swym czopem w łożysku tak, że panew przejmuje zwiększone obciążenia na obu swoich krawędziach. Stwierdzenie takiej postaci zużycia panwi wymaga skontrolowania ułożenia wału korbowego i promienia przejścia czopa w ramiona wykorbień. Jeżeli wybłyszczenia są niewielkie, a stan ułożenia wału korbowego jest prawidłowy, to panew może pracować dalej.

Jeżeli na krawędziach panwi stwierdza się duże zużycie powłoki ślizgowej, takie że odsłonięta jest warstwa brązu ołowiowego, to panew kwalifikuje się do wymiany, przy czym bezwzględnie należy zbadać przyczynę takiego zużycia i przeprowadzić wymagane czynności naprawcze (np. zły promień przejścia czopa w ramię wykorbienia, zbyt duży luz osiowy wału itp.).

Wybłyszczenia w pobliżu krawędzi rowka olejowego świadczą o nadmier­nym nacisku czopa na ten fragment panwi. W tym wypadku konieczna jest kontrola luzu w łożysku, a także wymiana panwi, gdyż dopływ oleju do łożyska może być utrudniony.

Zatarcia, duże zużycie ścierne powierzchni roboczej panwi (porysowania) oraz przegrzania i pęknięcia zmęczeniowe warstwy ślizgowej dyskwalifikują panew, jednak przed wymianą należy dokładnie sprawdzić możliwe przyczyny takich postaci zużycia. Jeżeli identyfikacja tych przyczyn świadczy o złym stanie ułożenia wału, niewłaściwych luzach, chropowatości i nadmiernych odchyłkach kształtu czopów, zakłóceniach w układzie smarowania itp. - to przed wymianą panwi należy te przyczyny usunąć.

Korozyjno-erozyjne uszkodzenia powierzchni ślizgowej panwi mają zazwy­czaj kształt nerkowaty lub sierpowaty. Krawędzie ubytków są obłe i przebiega­ją nieregularnie, dają się zauważyć liczne małe miejscowe ubytki. Jeśli ubytki takie nie sięgają warstwy brązu ołowiowego, a powierzchnia śladów tych ubytków nie przekracza 15% powierzchni nośnej, to takie uszkodzenia można uznać za niegroźne i panew może dalej pracować. Jeżeli jednak powierzchnia ubytków jest większa lub obejmują one również i warstwę brązu ołowiowego, to panwie należy wymienić na nowe.

Skrajnym przypadkiem uszkodzenia panwi jest następujące podczas zatarcia łożyska wytopienie stopu łożyskowego niekiedy ze znacznym rozwalcowaniem go na zewnątrz panwi. Tak uszkodzona panew podlega wymianie, jednak z reguły poważnym uszkodzeniom ulegają również wal korbowy, korbowód oraz śruby korbowodowe

Przykładowe uszkodzenia panwi

• kawitacja ssąca - górna nie obciążona część panewki

• wypływowa - dno obwodowego rowka olejowego w płaszczyźnie max. Obciążenia

• przepływowa - krawędzie kieszeni rowków podcięcia powierzchni ślizgowych

• uderzeniowa - w bliskim sąsiedztwie przejścia rowka obwodowego w powierzchnię bezrowkową - na skutek rozpędzania i hamowania oleju w kanale

Cienkie warstwy są lepsze pod

względem wytrzymałości zmęczeniowej, ale gorzej absorbują zanieczyszczenia. Ołów stosowany na powłokę ślizgową łatwo koroduje. Aby temu zapobiec, dodaje się do niego indu. Ale ind dyfunduje w głąb i przechodzi do brązu. To samo dzieje się z cyną. Dlatego stosuje się jeszcze powlokę zaporową, przeciwdyfuzyjną z niklu o grubości 1μm. Zapobiega ona również tworzeniu się kruchych związków na styku

brązu i powłoki ślizgowej.

Przekrój panwi łożyskowej z nałożoną galwanicznie powloką zaporową i powloką ślizgową. Jest to panew trójwarstwowa. Na zewnętrznej stronie panwi stosuje się cienkie ( 1 do 15μm) galwaniczne powłoki ochronne z miedzi lub cyny w celu zabezpieczenia stalowej skorupy przed korozją. Powłoki te chronią też panwie przed zakleszczeniem w gnieździe i ułatwiają odprowadzenie ciepła.

Istnieją różne modyfikacje konstrukcji trójwarstwowych panwi, związane ze wzrostem ich obciążeń we współczesnych silnikach: Przykładem takiej modyfi­kacji jest konstrukcja panwi łożysk wału korbowego silników Szuler typu Z40. Pierwotna zmiana polegała na wprowadzeniu panwi z warstwą slizgową ze stopu Al-Sn zamiast stopu łożyskowego cynowego (łożyska główne) lub brązu ołowiowego (łożyska korbowe) z galwanicznie nakładaną powłoką ślizgową. W następnym etapie wprowadzono panwie rowkowe w celu wyeliminowania negatywnego wpływu niklowej powłoki zaporowej

białym metalem zależy od wielu czynników i może być rożna dla poszczególnych łożysk tego silnika. Na przykład do czynników powodujących nadmierne zużycie warstwy ślizgowej panwi łożysk wodzikowych można zaliczyć:

• niedostateczną sztywność wodzika i łba korbowodu (podczas pracy silnika łeb korbowodu i wodzik odkształcają się sprężyście, co powoduje nadmier­ne naciski na wewnętrzne fragmenty panwi),

• zbyt grubą warstwę stopu łożyskowego powodującą spadek wytrzymałości zmęczeniowej,

• stosowanie rowków typu "jaskółczy ogon" dla zwiększenia przyczepności stopu łożyskowego do stalowej skorupy panwi (ostre krawędzie rowków stają się karbami konstrukcyjnymi, obecność wzdłużnych i poprzecznych rowków utrudnia staranne przygotowanie powierzchni skorupy panwi przed wylaniem stopu łożyskowego, co z kolei może spowodować złe przyleganie stopu po wylaniu),

• zły stan powierzchni czopów (zbyt duża chropowatość, obecność rys i bruzd, falistość powierzchni, nadmierne odchyłki kształtu czopów),

• błędy technologii wylania panwi,

• zanieczyszczenia oleju smarowego,

• naruszenie wymaganych odchyłek położenia elementów. układu tłoko­wo-korbowego (niewspółosiowość czopów głównych wału korbowego, nadmierne sprężynowanie ramion wykorbień, nadmierne odchyłki równoległości osi czopów głównych oraz korbowych) itp.

---