Экспертиза двигателя Cummins ISM11E5 440: разрушение шатунных подшипников из-за низкого уровня масла

Экспертиза двигателя Cummins ISM11E5 440: разрушение шатунных подшипников из-за низкого уровня масла |

Дизельный двигатель Cummins ISM11E5 440 автомобиля-самосвала Shacman вышел из строя при пробеге немногим более 90 тыс. км. Неисправность проявилась выраженным стуком, а предварительная диагностика указала на аварийный износ шатунного подшипника.

Исследование подтвердило критическое повреждение кривошипно-шатунного механизма, однако одновременно выявило и производственные дефекты двигателя. Эксперту требовалось разграничить эти повреждения и установить, какие из них действительно привели к отказу.

Ключевой причиной выхода двигателя из строя признана эксплуатация при чрезмерно низком уровне моторного масла. Это привело к завоздушиванию системы смазки, вспениванию масла и нарушению смазки наиболее нагруженных пар трения. Дополнительным неблагоприятным фактором стало состояние моторного масла: внутри двигателя обнаружены значительные лаковые и шламовые отложения.

При этом выявленные производственные дефекты не находились в причинной связи с критическим разрушением двигателя.

Ситуация

Четырехосный автомобиль-самосвал Shacman с дизельным двигателем Cummins ISM11E5 440 эксплуатировался для перевозки насыпных грузов. Техническое обслуживание и ремонт выполнялись собственными силами эксплуатирующей организации.

После пробега немногим более 90 тыс. км при работе двигателя появился хорошо слышимый посторонний стук. Предварительно его связали с аварийным износом одного из шатунных подшипников коленчатого вала.

На исследование двигатель поступил уже демонтированным с автомобиля.

Важным ограничением являлось отсутствие документов, позволяющих установить точную периодичность технического обслуживания, перечень выполненных работ, использованные запасные части и эксплуатационные материалы.

Что требовалось установить

Перед специалистом стояли следующие задачи:

определить непосредственную причину неисправности двигателя;
установить механизм образования критических повреждений;
разграничить производственные и эксплуатационные дефекты;
определить, могли ли обнаруженные производственные недостатки привести к отказу двигателя;
установить характер причины неисправности.

Что было представлено на исследование

Исследовался демонтированный двигатель Cummins ISM11E5 440.

В процессе исследования выполнялись:

последовательная разборка двигателя;
визуальное исследование деталей;
инструментальные измерения;
микроскопическое исследование поврежденных поверхностей;
анализ характера износа и следообразования;
фотофиксация выявленных дефектов;
сопоставление фактических размеров деталей с техническими требованиями.

Особое внимание уделялось системе смазки, коленчатому и распределительному валам, коренным и шатунным подшипникам, приводу газораспределительного механизма и состоянию сцепления.

Какие повреждения были выявлены

После снятия поддона на его внутренней поверхности обнаружены лаковые отложения черного цвета. На дне находились скопления металлических частиц белого и красно-медного цвета.

Эти частицы являлись продуктами износа и разрушения деталей двигателя.

Скопления металлических частиц на дне поддона двигателя

На поверхности сетки маслозаборника значительных загрязнений не обнаружено. При этом на ней присутствовали несколько мелких фрагментов герметика.

После снятия клапанной крышки были выявлены значительно более выраженные загрязнения:

внутренняя поверхность крышки обильно покрыта шламом и лаком;
коромысла, элементы привода клапанов и насос-форсунок покрыты густым мазеобразным шламом;
отложения имели выраженный темный цвет.

Шлам и лаковые отложения на внутренней поверхности клапанной крышки

Детали двигателя под клапанной крышкой, покрытые шламом

Такая картина свидетельствует о неблагоприятных условиях работы моторного масла.

Лаковые отложения могут образовываться при:

использовании масла с недостаточными моющими свойствами;
преждевременной выработке пакета моющих присадок;
превышении интервалов замены масла.

Шлам дополнительно может образовываться при длительной работе недостаточно прогретого двигателя, когда в картере накапливается конденсат. Его образованию также могут способствовать ненадлежащее качество масла и значительное загрязнение масла продуктами сгорания топлива.

Повреждения распределительного вала

Опорные шейки распределительного вала и кулачки привода клапанов существенных дефектов не имели.

Иная картина наблюдалась на всех шести кулачках привода насос-форсунок.

При их вершинах обнаружены:

разрушение поверхностного слоя;
многочисленные глубокие раковины питтинга;
поперечные трещины;
окружные задиры на нагруженной стороне;
цвета побежалости, свидетельствующие о локальном перегреве.

Питтинг и цвета побежалости на кулачке привода насос-форсунки

Повреждение сразу всех кулачков одного функционального назначения являлось существенным признаком системного нарушения условий смазки.

Повреждения шатунных подшипников

Наиболее тяжелые последствия обнаружены в подшипниках коленчатого вала.

Износ шатунных вкладышей оказался резко неравномерным.

Наиболее сильно был поврежден третий шатунный подшипник:

вкладыши значительно деформированы;
антифрикционный слой практически полностью разрушен;
рабочие поверхности имеют обширные окружные задиры;
вкладыши провернулись в нижней головке шатуна;
вследствие проворота нарушена геометрия посадочного места шатуна.

Состояние шатунных вкладышей после разборки двигателя

Деформированный шатунный вкладыш третьего цилиндра

Вкладыши второго, четвертого и пятого шатунных подшипников также имели:

многочисленные окружные задиры;
царапины;
выкрашивание антифрикционного покрытия;
деформацию;
потерю нормального натяга в посадочных местах.

Вкладыши первого и шестого шатунных подшипников были повреждены значительно меньше.

Такое распределение повреждений имело важное диагностическое значение: износ не был равномерным для всех подшипников коленчатого вала.

Повреждения коренных подшипников

Неравномерность была выявлена и у коренных подшипников.

Наибольшие повреждения обнаружены на вкладышах второй и третьей коренных опор:

обширные окружные задиры;
многочисленные царапины;
частичное разрушение антифрикционного слоя.

Вкладыши четвертой, пятой и шестой опор также имели задиры, царапины и следы разрушения покрытия.

Минимальные повреждения присутствовали на первой и седьмой опорах.

Неравномерный износ коренных вкладышей коленчатого вала

Характер распределения износа стал одним из основных признаков при определении механизма отказа.

Повреждения коленчатого вала

Наиболее тяжелые повреждения коленчатого вала были сосредоточены на третьей шатунной шейке.

На ее поверхности выявлены:

обширные окружные задиры;
царапины;
цвета побежалости;
фактическое уменьшение диаметра вследствие износа.

Измеренный диаметр третьей шатунной шейки составлял 78,91 мм при техническом диапазоне 78,95–79,01 мм.

Таким образом, износ составлял от 0,04 до 0,10 мм относительно установленного диапазона.

Диаметры остальных шатунных и всех коренных шеек соответствовали техническим требованиям.

Поврежденная третья шатунная шейка коленчатого вала

На второй и третьей коренных шейках также присутствовали многочисленные окружные царапины и локальные следы перегрева, однако измеримого износа этих шеек не установлено.

Какие версии причин проверялись

Исследование показало, что в одном двигателе одновременно присутствовали дефекты различного происхождения. Поэтому само обнаружение производственного недостатка еще не означало, что именно он стал причиной отказа.

Анализировались следующие группы факторов:

производственные недостатки изготовления и сборки двигателя;
состояние моторного масла;
образование шлама и лаковых отложений;
возможное разбавление масла топливом;
снижение уровня моторного масла;
нарушения подачи масла к подшипникам и другим парам трения;
возможные внешние утечки масла;
потери масла через турбокомпрессор;
попадание масла в цилиндры через систему вентиляции картера;
состояние масляного насоса.

Производственные дефекты действительно были обнаружены

Исследование выявило несколько повреждений, которые по характеру образования могли быть связаны с изготовлением или первоначальной сборкой двигателя.

В частности, были обнаружены:

несколько мелких фрагментов герметика на сетке маслозаборника;
сломанная полимерная упорная шайба промежуточной шестерни;
признаки перекоса одной из промежуточных шестерен относительно ее оси;
след попадания посторонней твердой частицы под один из шатунных вкладышей;
несоосность передней втулки распределительного вала;
признаки ненадлежащего формирования посадочного места упорных полуколец коленчатого вала.

Эти дефекты были технически значимыми как показатели качества изготовления и сборки, но анализ их характера и локализации показал, что ни один из них не мог объяснить совокупность критических повреждений двигателя.

Например, небольшое количество герметика на сетке маслозаборника не перекрывало ее проходное сечение. Повреждение шайбы промежуточной шестерни также не находилось в механизме образования критического износа шатунных и коренных подшипников.

Следовательно, наличие производственных дефектов само по себе не означало производственный характер отказа двигателя.

Что показало состояние моторного масла

Обильные лаковые и шламовые отложения свидетельствовали о неудовлетворительных условиях работы масла.

Для образования выявленных отложений могли иметь значение:

недостаточные моющие свойства применявшегося моторного масла;
выработка присадок;
нарушение периодичности замены;
продолжительная эксплуатация двигателя при недостаточной рабочей температуре;
загрязнение масла продуктами сгорания;
использование дизельного топлива ненадлежащего качества.

После демонтажа крышек коренных подшипников также был отмечен сильный запах, нехарактерный для моторного масла дизельного двигателя. В исследовании это рассматривалось как возможный признак попадания в масло компонентов топлива или посторонних химических примесей.

Однако состояние масла являлось сопутствующим фактором и само по себе не объясняло характер распределения наиболее тяжелых повреждений.

Почему определяющим стал низкий уровень масла

Характер износа подшипников оказался принципиально неравномерным.

Наибольшие повреждения были сосредоточены в тех участках системы смазки, которые особенно чувствительны к поступлению в масляную магистраль смеси масла и газа.

При чрезмерном снижении уровня масла в поддоне происходят следующие процессы:

уровень масла приближается к зоне забора маслоприемника
при поворотах, торможении, движении на подъеме или спуске уровень масла относительно маслозаборника дополнительно изменяется;
маслозаборник начинает периодически захватывать картерные газы вместе с маслом;
в системе смазки образуется значительное количество масляной пены;
вспененное масло имеет недостаточную несущую и смазывающую способность;
ухудшаются условия работы подшипников и других нагруженных пар трения;
возникают локальный перегрев, задиры и разрушение антифрикционного слоя;
дальнейшее повреждение вкладышей приводит к появлению металлических продуктов износа
в наиболее нагруженном шатунном подшипнике происходит разрушение и проворот вкладышей;
повреждается шатунная шейка коленчатого вала и посадочное место шатуна.

Именно такая последовательность согласовывалась с фактической картиной повреждений исследованного двигателя.

Почему не установили точную причину снижения уровня масла

Экспертиза установила последствия работы с чрезмерно низким уровнем масла, однако определить, почему первоначально снизилось его количество в поддоне, по представленному объекту оказалось невозможно.

При этом несколько возможных каналов потери масла не получили подтверждения.

Утечка через сальники коленчатого вала

При осмотре не выявлены характерные потеки вокруг переднего и заднего сальников коленчатого вала.

Версия наружной утечки масла через эти уплотнения не получила подтверждения.

Потери через турбокомпрессор

Существенного замасливания каналов турбокомпрессора и признаков интенсивного поступления масла в цилиндры не обнаружено.

Поэтому потери через подшипниковый узел турбокомпрессора были исключены как объяснение критического снижения уровня.

Потери через систему вентиляции картера

Признаков поступления значительного количества масла во впуск и цилиндры также не выявлено.

Эта версия не подтверждалась результатами осмотра.

Производственный дефект, вызывающий утечку

Двигатель до отказа отработал более 90 тыс. км. Следов дефекта изготовления или сборки, способного на таком пробеге внезапно вызвать установленное снижение уровня масла, обнаружено не было.

Неисправность масляного насоса

Корпус и шестерни масляного насоса не имели видимых повреждений. Вал привода вращался свободно, без заеданий и закусывания.

Признаков очевидного механического разрушения насоса при исследовании не выявлено.

Что установила экспертиза

Совокупность повреждений позволила определить основной механизм отказа:

двигатель некоторое время работал при чрезмерно низком уровне моторного масла;
маслозаборник периодически захватывал картерные газы;
происходило завоздушивание системы смазки;
образовывалась масляная пена;
ухудшались условия смазки подшипников коленчатого вала и других нагруженных узлов;
возникали задиры, перегрев и разрушение антифрикционных покрытий;
наиболее тяжелое повреждение сформировалось в третьем шатунном подшипнике;
вкладыши провернулись и повредили коленчатый вал и нижнюю головку шатуна.

Состояние моторного масла и значительное количество шлама и лаковых отложений дополнительно ухудшали условия смазки и способствовали развитию повреждений.

Отдельный результат: повреждение маховика

Исследование выявило еще одну группу дефектов, непосредственно не являвшихся причиной разрушения подшипников двигателя.

Рабочая поверхность маховика имела:

значительные прижоги;
цвета побежалости;
многочисленные радиальные тепловые трещины;
глубокие окружные царапины и задиры.

Прижоги и цвета побежалости на рабочей поверхности маховика

Такие признаки соответствуют неоднократной работе сцепления с интенсивным буксованием.

В качестве возможных причин в экспертном исследовании рассматривались:

эксплуатация автомобиля в тяжелых дорожных условиях;
существенное превышение допустимой нагрузки;
неисправность привода выключения сцепления.

Эти повреждения являются самостоятельным свидетельством тяжелых условий эксплуатации автомобиля, но не были признаны непосредственной причиной разрушения двигателя.

Вывод эксперта

Причина критических повреждений двигателя Cummins ISM11E5 440 имеет эксплуатационный характер.

Непосредственным механизмом отказа стала работа двигателя при чрезмерно низком уровне моторного масла. Это вызвало завоздушивание системы смазки, образование масляной пены и нарушение нормального режима смазки подшипников коленчатого вала.

Развитию повреждений способствовало неудовлетворительное состояние моторного масла, на что указывали значительные лаковые и шламовые отложения.

При этом в двигателе действительно были обнаружены отдельные производственные дефекты изготовления и сборки. Однако исследование не установило их причинной связи с критическим повреждением кривошипно-шатунного механизма и окончательным выходом двигателя из строя.

Практическое значение вывода

Этот случай показывает, почему при исследовании отказа двигателя недостаточно найти отдельный производственный дефект.

Необходимо установить причинную связь между конкретным дефектом и конечным разрушением агрегата.

В исследованном двигателе одновременно присутствовали:

производственные недостатки;
признаки неудовлетворительного состояния масла;
последствия нарушения режима смазки;
критический износ подшипников коленчатого вала;
отдельные признаки тяжелой эксплуатации автомобиля.

Только анализ расположения, характера и последовательности образования повреждений позволил установить, какие из этих признаков являлись первопричиной, какие способствовали развитию отказа, а какие не имели к нему причинного отношения.

Что делать при похожей ситуации

Если в двигателе появился выраженный стук или произошло внезапное падение давления масла, до проведения независимого исследования желательно:

прекратить эксплуатацию двигателя;
не запускать его повторно для проверки;
не промывать внутренние полости и детали после разборки;
сохранить моторное масло;
сохранить масляный фильтр;
сохранить металлические частицы и фрагменты разрушенных деталей;
не выбрасывать коренные и шатунные вкладыши;
зафиксировать расположение вкладышей по цилиндрам и опорам;
сфотографировать двигатель до начала и в процессе разборки;
сохранить коленчатый вал, поврежденные шатуны и другие детали;
собрать документы по предыдущему техническому обслуживанию;
сохранить сведения о марке, вязкости и допуске применявшегося масла;
по возможности сохранить информацию о пробеге между заменами масла и доливках.

После очистки или механической обработки поврежденных деталей часть диагностически значимых следов может быть безвозвратно утрачена.

Когда нужна независимая экспертиза двигателя

Техническое исследование особенно важно, когда:

производитель или продавец заявляет о нарушении правил эксплуатации;
владелец считает причиной производственный дефект;
двигатель вышел из строя вскоре после ремонта;
обнаружены провёрнутые вкладыши или повреждение коленчатого вала;
имеется спор о причине масляного голодания;
разные сервисные организации называют различные причины отказа;
требуется отличить первичное повреждение от многочисленных вторичных разрушений;
необходимо установить техническую причину до выполнения восстановительного ремонта.

Вопросы и ответы

Может ли двигатель разрушиться из-за кратковременной работы с низким уровнем масла?

Да. В данном случае эксперт установил, что работа при чрезмерно низком уровне была непродолжительной и непосредственно предшествовала отказу. При неблагоприятных условиях даже сравнительно короткого периода недостаточной смазки достаточно для интенсивного повреждения подшипников коленчатого вала.

Почему низкий уровень масла повреждает подшипники неравномерно?

При чрезмерном снижении уровня маслозаборник может захватывать не только масло, но и картерные газы. В систему поступает вспененное масло, а условия его движения и дегазации по масляным каналам различаются. Поэтому отдельные подшипники могут получить значительно более тяжелые повреждения, чем остальные.

Всегда ли проворот вкладыша означает недостаток масла?

Нет. Проворот вкладыша является следствием нарушения нормальных условий работы подшипникового узла, но причины этого нарушения могут быть различными. Они устанавливаются по совокупности повреждений, состоянию сопряженных деталей, результатам измерений и другим техническим признакам.

Если в двигателе найден заводской дефект, значит ли это, что отказ производственный?

Нет. Необходимо доказать причинную связь. В рассматриваемом случае несколько производственных дефектов действительно были выявлены, однако они не привели к критическому разрушению двигателя.

Можно ли точно определить, куда исчезло масло?

Не всегда. В этом исследовании удалось установить факт работы двигателя с чрезмерно низким уровнем масла и исключить несколько возможных каналов его потери, но достоверно определить первоначальную причину снижения уровня по представленному объекту было невозможно.

Что означают шлам и лаковые отложения внутри двигателя?

Они являются признаками неблагоприятных условий работы моторного масла. Причинами могут быть ненадлежащее качество масла, выработка присадок, превышение интервала замены, работа недостаточно прогретого двигателя и другие эксплуатационные факторы.

Можно ли исследовать двигатель, если он уже разобран?

Да, если сохранились детали и можно достоверно определить их принадлежность и исходное расположение. Однако отсутствие частей двигателя, очистка поверхностей или предыдущая механическая обработка могут ограничить возможности исследования.

Материал подготовлен на основе реального экспертного исследования причин отказа дизельного двигателя Cummins ISM11E5 440. Технические выводы исходного исследования выполнены автотехническим экспертом А. А. Воскресенским.