Гідравлічний удар в поршневий машині

Гідравлічний удар. Загальні відомості.

Гідравлічним ударом називається явище, що відбувається в двигунах внутрішнього згоряння при попаданні в робочу камеру значної кількості рідини. Як відомо, цикл роботи поршневого чотиритактного ДВС складається з 4-х тактів: впуск, стиснення, робочий хід, випуск. На такті стиснення відбувається стиснення газоподібного паливо-повітряної суміші (або повітря у ДВС з уприскуванням в камеру згоряння). Гази, як відомо, значно змінюють свій об'єм при зміні тиску. Рідина змінює свій обсяг в настільки малому ступені, що її вважають практично нестисливої. Якщо на такті стиснення в робочій камері виявилася значна кількість рідини, то поршень не зможе дійти до верхньої мертвої точки і зупиниться.

Руйнування деталей двигуна відбувається в тому випадку, коли діючі на них навантаження перевищують допустимі за умовами міцності. Навантаженість деталей двигуна при попаданні в робочу камеру рідини буде залежати від кількості рідини, робочого об'єму циліндра і ступеня стиснення, частоти обертання колінчастого вала в момент гідроудару та інших факторів.

Відношення кількості рідини, що потрапила в робочу камеру до обсягу камери згоряння при знаходженні поршня у верхній мертвій точці, дозволяє оцінити стан поршня в момент його зупинки при гідроударі і можливість зупинки поршня.

Визначимо обсяг робочої камери ДВС при знаходженні поршня у верхній мертвій точці для чотирициліндрового двигуна, робочим об'ємом 1,6 літра зі ступенем стиснення ε = 10. Робочий об'єм одного циліндра буде Vp = 1,6 / 4 = 0,4 л. Обсяг робочої камери при знаходженні поршня у верхній мертвій точці (мінімальний обсяг) складе 44 мл.

Попадання в робочу камеру значно меншої кількості рідини не викличе гідроудар. Нестисливої ​​рідина просто-напросто збільшить ступінь стиснення (повітря все одно присутній) і потім піде в випускну систему на такті випуску. Якщо ж в робочу камеру потрапить рідини більше, то поршень не зможе дійти до ВМТ, так як упреться в рідину.

З точки руйнування деталей двигуна важливі сили, які будуть діяти на деталі. Гідроудар відбувається на такті стиснення, при якому поршень рухається за рахунок обертання від енергії колінчастого вала. Джерелом сили на поршні, які намагаються стиснути нестисливої ​​рідина буде інерційна сила обертання КВ (колінчастого валу), маховика і / або з'єднаних з ними елементів трансмісії (плюс маса автомобіля, енергія якого передається через колеса в трансмісію, і далі). Поршень, що здійснює зворотно-поступальні рухи з'єднаний з КВ за допомогою кривошипно-шатунного механізму. Розглянемо кінематику руху поршня. Припустимо, що колінчастий вал обертається рівномірно. При цьому швидкість руху поршня буде змінюватися від 0 до максимальної швидкості Vпmax в середині ходу поршня (яка дорівнюватиме швидкості поступального руху шатунной шийки колінчастого вала Vпmax = Vшш). Швидкість поршня буде залежати від кута повороту КВ: Vп = Vшш * sin (φ).

Залежність швидкості руху поршня від кута повороту КВ за один оборот КВ

Однак, руйнування деталей двигуна при гідроударі відбувається не за рахунок високої швидкості руху поршня на такті стиснення. Навіть навпаки. Швидкість руху поршня обернено пропорційна силі, яка може бути додана до поршня від шатуна.

Наслідки гідроудару. Експертиза причини руйнування деталей двигуна.

З точки зору руйнування деталей двигуна важливо, продовжував двигун працювати після того, як погнувся шатун чи ні. Якщо двигун продовжив роботу з погнутим шатуном, то при наступних після гідроудару оборотах колінчастого вала можливо:

- Зіткнення деформованого шатуна про нижню частину циліндра. На деяких сучасних двигунах мінімальний зазор в цьому місці настільки малий, що навіть невеликий вигин шатуна призводить до зіткненню, в результаті чого відбувається руйнування шатуна і пошкодження поверхні циліндра. При подальшій роботі з зруйнованим шатуном двигун отримує значні пошкодження.

- При деформації шатуна зменшується відстань між осями його головок. Зменшується довжина шатуна, що призводить до зіткненню поршня про противаги колінчастого вала при підході до нижньої мертвої точки. Мінімальний зазор в даному місці на сучасних двигунах досить малий.

Вищевказані руйнування через погнутого шатуна супроводжуються значним шумом. Але бувають випадки коли після гідроудару двигун продовжує працювати і не має зовнішніх ознак несправностей. Дійсно, невелика деформація шатуна не видасть себе якимись зовнішніми проявами. Однак робота двигуна з деформованим шатуном неприпустима з наступних причин:

- При деформації шатуна порушується паралельність осей його шийок. Тобто порушується паралельність поршневого пальця і ​​шатунной шийки (і осі) колінчастого вала. В результаті поршень ходить з перекосом, шатун щодо шатунной шийки також перекошений - є односторонній знос шатунного вкладиша.

- При роботі погнутого шатуна в його тілі виникають згинальні напруги. В результаті велика ймовірність утворення на тілі шатуна втомної тріщини, в результаті відбудеться руйнування шатуна і подальше руйнування деталей двигуна при взаємодії обертового колінчастого вала з уламками шатуна і «звільнилися» поршнем.

З точки зору експертизи двигуна транспортної машини слід розділяти гідроудар, який стався внаслідок попадання в робочу камеру потрапила рідина з обслуговуючих систем силової установки (паливо, масло системи мастила, охолоджувальної рідини) і гідроудар стався через попадання води через систему харчування повітрям. У першому випадку необхідно дослідження причин розгерметизації системи, рідина з якої потрапила в робочу камеру в неприпустимому кількості. Другий випадок (потрапляння води через повітрозабірник) пов'язаний з неприпустимою експлуатацією автомобіля, якщо автомобіль не є транспортною машиною підвищеної та високої прохідності. При попаданні через повітрозабірник вода проходить через повітряний фільтр і наступні елементи системи живлення повітрям. Відповідно, якщо двигун при гідроударі зупинився, то в повітряному фільтрі і далі по системі живлення повітрям буде присутній вода.

Окремого розгляду заслуговує гідравлічний удар, який викликав лише невелику деформацію шатуна, після якої двигун продовжував експлуатуватися. Як було сказано вище, деформований при гідроударі шатун працює не на розтягнення-стиснення, як рівний, а в ньому виникають ще й згинальні напруги. В результаті при експлуатації двигуна з таким шатуном відбудеться втомний злам шатуна. При подальших оборотах колінчастого вала його взаємодія з уламками шатуна і звільнилися поршнем викличе значні пошкодження двигуна. Сам вигнутий шатун при цьому пошкоджується до такої міри, що практично неможливо визначити його форму до руйнування. Однак, відрізнити двигун в якому раніше стався гідроудар можливо. При роботі двигуна через систему харчування повітрям проходить велика кількість повітря, яке висушило повітряний фільтр і інші елементи системи живлення повітрям, відповідно води і її слідів в впускному тракті такого двигуна не буде. Але є інші ознаки:

- Е слі фільтр паперовий, потрапляння води і подальше її випаровування викличе характерну деформацію і викривлення гофр. Якщо таке вдалося знайти, практично можна дослідження закінчити і оголосити причину поломки знайденої. На жаль, багато сучасних мотори комплектуються фільтрами з синтетики, яка на воду ніяк не реагує. Тоді слідів води не буде ніде, і доведеться шукати інші вірні ознаки гідроудару.

Ознака гідроудару перший - викривлення гофров повітряного фільтра.

- У циліндрі над місцем, де верхнє кільце зупиняється в ВМТ (верхня мертва точка поршня), завжди є нагар. Оскільки деформований шатун коротшає, поршень в положенні ВМТ опускається нижче свого колишнього нормального стану. При зміщенні поршня ширина кромки нагару поступово збільшується, що добре помітно і неозброєним оком, а величину розширення кромки нагару можна заміряти звичайною лінійкою. Навіть після обриву деформованого шатуна ширина кромки нагару легко вкаже, що поки шатун був "живий", його довжина була менше покладеної.

Ознака другий - пояс нагару в верхній частині циліндра з кривим шатуном ширше, ніж в інших циліндрах, що навіть можна поміряти.

- П ри гідроударі нерідко вода потрапляє не в один, а кілька циліндрів. Відповідно до цього пошкодження можуть отримати кілька шатунів, з яких зламається першим самий гнутий. Тоді решта легко перевірити "на око" - якщо шатун випробував гідроудар, його стрижень після втрати стійкості матиме вигляд характерною "змійки" в площині гойдання.

Ознака третій - характерна змійка на шатуне, що втратив стійкість від осьового стиснення.

- До оли гнеться шатун, осі його отворів втрачають сувору паралельність. Перекіс осей, зазвичай вимірюваний сотими частками міліметра, після гідроудару настільки великий, що нерідко видно навіть "на око". Очевидно, тоді поршень починає працювати в циліндрі з перекосом. Це класичний випадок, ознаки якого добре відомі. У поршня на спідниці буде помітно пляма контакту характерною діагональної форми. Також на поршні з'явиться додаткове контактна пляма, розташоване вище поршневого пальця, в той час як протилежна зона вогневого пояса, навпаки, буде покрита великим шаром нагару.

Ознака четверта - перекіс поршня в циліндрі: А) спідниця поршня з діагональним плямою контакту