發(fā)動機(jī)燒瓦抱軸故障分析及改進(jìn)

發(fā)動機(jī)燒瓦抱軸故障分析及改進(jìn)

1軸瓦黏結(jié)磨損故障軸瓦是柴油發(fā)動機(jī)最重要的部件之一。在運行過程中，荷載相對復(fù)雜，承擔(dān)著氣體畸變、運動慣性和軸蓋張力的作用，以及循環(huán)交變率。如果使用不當(dāng)，工作環(huán)境將惡化。如果使用不當(dāng)，就很容易導(dǎo)致軸頸和軸瓦的早期磨損和損壞?！盁弑лS”是指發(fā)動機(jī)曲軸與支承其轉(zhuǎn)動的滑動軸承——曲軸瓦、連桿瓦之間,由于潤滑不良出現(xiàn)干摩擦和半干摩擦,在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速下,軸頸與軸瓦相互燒結(jié),導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法正常運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。軸瓦在運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)了不應(yīng)有的剝離、龜裂、燒損和嚴(yán)重拉傷等現(xiàn)象,輕者需要更換主軸瓦及連桿活塞組,重者會使柴油機(jī)曲軸頸嚴(yán)重拉傷,甚至還會使曲軸、機(jī)體報廢。這一故障不但給正常的生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的干擾,而且還會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。造成發(fā)動機(jī)燒瓦抱軸的原因雖然是多方面的,但歸根到底是其潤滑條件被破壞,引起摩擦性質(zhì)改變而形成粘附磨損。本文結(jié)合某公司近年來實際生產(chǎn)中的案例,對返修回廠的發(fā)動機(jī)燒瓦抱軸故障進(jìn)行原因分析,并給出改進(jìn)措施,大大降低了此類故障的發(fā)生率,對現(xiàn)實柴油發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。2軸瓦燒損故障現(xiàn)將該公司2008年返回廠內(nèi)維修的燒瓦抱軸發(fā)動機(jī)作出統(tǒng)計,如表1所示。從統(tǒng)計的故障情況以及故障實物看,柴油發(fā)動機(jī)一旦發(fā)生軸瓦燒損,軸瓦表面有大面積的燒結(jié)、亮斑以及很深的拉痕,有的合金層均脫落,露出鋼背,絕大部分曲軸主軸頸、連桿頸磨損較為嚴(yán)重,軸瓦轉(zhuǎn)圈,堵塞油路,引起拉缸、抱缸,曲軸甚至超過修理等級限制而報廢。3驅(qū)動器爐壓塊的機(jī)理和原因3.1潤滑是抗磨和抗磨的基礎(chǔ)原因。據(jù)樹柴油發(fā)動機(jī)在高速運轉(zhuǎn)中,整個連桿相對于氣缸中心線做擺動,連桿頸旋轉(zhuǎn)速度相當(dāng)高,由于承受較大的沖擊負(fù)載,連桿瓦與連桿頸之間產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦,產(chǎn)生大量的熱量;同時潤滑機(jī)油在長期的高溫條件下,不斷氧化產(chǎn)生有機(jī)酸,對瓦的表面產(chǎn)生腐蝕,并且機(jī)油中不可避免存在各種機(jī)械雜質(zhì),進(jìn)入軸頸與瓦之間發(fā)生微粒摩擦。不同原因造成軸瓦故障的癥狀不相同,由各自的物理機(jī)械個性所致,但是都離不開潤滑理論。眾所周知,摩擦和抗磨存在于任何摩擦副中,潤滑是減少摩擦和阻止磨損的最簡單有效的方法。因為摩擦副處于完全液體動力潤滑狀態(tài)時,相對運動的摩擦表面依靠傳遞赫茲接解壓力支撐,固體表面幾乎不接觸,所以磨損幾乎是不會發(fā)生的;同時,液體動力潤滑油膜的存在,也極大地改善了摩擦表面的負(fù)荷條件,使相對運動的摩擦表面處于承受小得多而又比較均勻的受力狀態(tài),這對減少以至完全避免摩擦磨損是極為有利的。軸瓦與曲軸頸這對配合摩擦副,表面被潤滑油層分隔開,曲軸依靠油膜層“托附”在軸瓦表面。要形成在兩零件表面相對運動時,產(chǎn)生油楔間隙,將軸托起,使摩擦表面分開,就要求作用在軸上的載荷應(yīng)小于油楔的承載能力,軸瓦與軸頸內(nèi)表面幾何形狀偏差盡可能地小,破壞了這些條件,軸瓦就要產(chǎn)生故障。因此軸瓦燒損的機(jī)理是由于軸頸與軸瓦之間的潤滑油膜破裂,導(dǎo)致軸瓦與軸頸產(chǎn)生干摩擦,在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速下,軸瓦的耐磨合金層過早地磨損或熔化,從而引起軸瓦合金層剝落損傷,并粘咬在軸頸上。更嚴(yán)重者由于軸與瓦的粘結(jié),會使軸瓦的鋼背在連桿大端座孔中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動,再由鋼背與座孔的進(jìn)一步摩擦引起高溫,使軸瓦燒壞,并會造成連桿螺栓折斷,發(fā)生連桿甩出搗壞發(fā)動機(jī)的惡性事故。3.2柴油發(fā)動機(jī)燃料結(jié)構(gòu)覆蓋軸的主要原因造成發(fā)動機(jī)拉瓦抱軸的原因是多方面的,主要因素有以下幾方面。3.2.1連續(xù)工藝層厚度不均勻,連軸瓦材料選擇不當(dāng),其耐磨性、嵌入性和抗疲勞性差,合金層與鋼板粘接不牢,出現(xiàn)剝離、氣泡、合金層厚度不均勻等現(xiàn)象。柴油機(jī)組裝后,試驗?zāi)ズ铣跗诎l(fā)生燒瓦,檢查時往往發(fā)現(xiàn)連桿瓦合金脫落,這屬于合金層貼合不牢,受力后造成脫落。研究表明:對于采用鋁-錫-銅合金的減磨層,提高其中的銅含量能提高其耐磨性,但是隨之會產(chǎn)生“甲蟲狀裂皮”而降低其疲勞強度,因此要用盡可能薄的減磨層厚度。3.2.2軸瓦與軸瓦襯層間的異物引起碳極柴油機(jī)主要配件(如曲軸、軸瓦、缸體、連桿)以及潤滑油中雜質(zhì)較多,以及裝配過程中的二次污染,金屬磨屑或外來硬性物質(zhì)進(jìn)入曲軸軸瓦工作表面,當(dāng)這些金屬磨粒形成的高點大到足以同軸頸接觸而產(chǎn)生摩擦,曲軸轉(zhuǎn)動時,很容易拉傷瓦合金及曲軸頸,導(dǎo)致軸承襯層被破壞。在瓦背與座孔之間的異物(主要是磨粒)使軸瓦背與座孔貼合不好,由于熱傳導(dǎo)不良,引起軸瓦表面局部溫度升高;同時由于載荷不均,在軸瓦表面出現(xiàn)異常高壓區(qū),加劇了局部磨損。通過對多起燒瓦抱軸事故的分析表明,事故是由于雜質(zhì)等異物引起的,這些雜質(zhì)與異物一部分源自機(jī)械磨損,另一部分則源自零件的清潔度與油管路內(nèi)的清潔度。對于雜質(zhì)重量、數(shù)量和尺寸嚴(yán)重超標(biāo),堵塞主油道這種情況,發(fā)動機(jī)在出廠前的試驗中就會發(fā)生拉瓦,同時表現(xiàn)出機(jī)油壓力低、漏氣量大等現(xiàn)象,這種情況屬于發(fā)動機(jī)前期故障。至于發(fā)動機(jī)中雜質(zhì)總重量合格但雜質(zhì)尺寸不合格的情況,會在瓦上造成劃傷現(xiàn)象但是不會馬上造成拉瓦或抱瓦。因此必須加強零件的清潔度和裝配清潔度,同時也要加強機(jī)油濾清系統(tǒng)的濾清效果。3.2.3潤滑劑的影響(1)影響機(jī)壓的選擇機(jī)油壓力不足造成連桿軸瓦抱軸多為偶發(fā)性。軸瓦損壞特征是合金大面積撕裂,鋼表面呈藍(lán)褐色,軸瓦內(nèi)無潤滑油,溫度較高。(2)糖液動面的溫度一般情況下,中、低速柴油機(jī)曲軸軸頸與軸承之間的最小潤滑油膜厚度為5～10μm,高速柴油機(jī)的為2～5μm,其中連桿軸承可低至1μm,而軸頸與軸承之間的配合間隙一般為0.03～0.13μm。圖1給出了連桿大端最小油膜與油溫之間的關(guān)系,從圖中可以看出,發(fā)動機(jī)在正常工作過程中,連桿大端上的潤滑油膜厚度大多在1μm左右,隨著發(fā)動機(jī)溫度的升高,機(jī)油溫度隨之上升,軸頸與軸承之間的潤滑厚度卻隨著機(jī)油溫度的升高而減少,當(dāng)機(jī)油溫度高于150℃時,油膜發(fā)生斷裂,導(dǎo)致曲軸軸頸與軸承之間的滑動面固體接觸,使滑動面的溫度急劇升高,當(dāng)滑動面的溫度升高到一定程度時,發(fā)生粘著燒結(jié),從而造成燒瓦抱軸的故障。眾所周知,油溫過低時,潤滑油黏度過大,流動性較差,特別是在冷機(jī)起動階段,進(jìn)入曲軸軸承的油量較小,油膜不易形成,容易造成滑動面直接接觸,加快了軸承的磨損和損壞,當(dāng)機(jī)油起沫(在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下機(jī)油中存有部分空氣)值提高時,連桿軸瓦的磨損也會增加。圖2給出了軸瓦在額定功率下的相對磨損率與機(jī)油溫度的關(guān)系,從圖中可以看出,機(jī)油溫度升高,機(jī)油黏度降低,油膜強度減弱,造成軸瓦的磨損增大,軸頸與軸瓦兩者之間的直接摩擦導(dǎo)致溫度迅速升高,造成膨脹變形,直至間隙完全消失,發(fā)展成燒瓦抱軸,這與圖1所描述的結(jié)果是完全吻合的。3.2.4潤滑條件差造成不正常磨損曲軸工作表面精度和表面粗糙度是保證形成良好潤滑的重要條件,如果曲軸的直徑、圓度、直線度、軸頸圓角達(dá)不到技術(shù)要求,會使曲軸軸頸與軸承間隙發(fā)生變化,減小油膜厚度或阻止油膜形成,導(dǎo)致潤滑條件不好,造成金屬直接接觸和軸承出現(xiàn)不正常磨損。多臺試驗發(fā)動機(jī)檢測結(jié)果表明,軸頸的不平度平均高度Rz從1.1μm下降到0.7μm時,連桿軸承磨損率下降了將近50%,這真實地反映了軸頸光潔度對連桿軸承磨損率的影響。3.2.5連續(xù)工藝鋼約束層壓孔時孔不牢固,導(dǎo)致表面價值低軸瓦尺寸是保證連桿瓦的瓦背與連桿大端孔緊密貼合的重要條件。如果連桿瓦定位唇、鍍層、厚度、減薄量達(dá)不到技術(shù)要求,容易造成瓦背與連桿大端孔貼合不好,瓦在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致瓦的潤滑間隙減小,潤滑條件不好。3.2.6接觸壓力載荷連桿大頭孔的直徑、粗糙度、直線度、圓度、扭曲度不合格,會造成軸頸和軸瓦之間的正常間隙發(fā)生變化。間隙過大,將導(dǎo)致軸瓦與軸頸間的接觸弧度變小,增加油膜的壓力載荷,加劇軸瓦的疲勞;間隙過小,會限制機(jī)油流動,難以形成油膜,不能將摩擦產(chǎn)生的熱量及時帶走,會增加過熱變形和抱瓦傾向,并且連桿彎曲或扭曲變形后,使連桿瓦與連桿軸頸之間產(chǎn)生不正常偏磨,造成連桿瓦局部受力過大,產(chǎn)生過熱燒損。連桿直徑、圓度、彎曲度、粗糙度不達(dá)標(biāo),反映在瓦上就是瓦的兩側(cè)出現(xiàn)偏磨的亮帶,反映在瓦背上就是瓦的背面出現(xiàn)黑塊。這是因為瓦背和連桿大頭孔貼合不好,有微動的磨痕,瓦背和連桿大頭孔中間有間隙,有機(jī)油滲入間隙而留在瓦背上。3.2.7軸瓦與軸承裝配錯差造成的拉瓦抱軸連桿螺栓擰緊力矩不當(dāng)、主軸承蓋擰緊力矩不當(dāng),連桿軸承蓋、軸承裝配錯等,會造成曲軸不同程度和不同形式的損壞,從而造成軸瓦與曲軸的配合間隙油隙不合適或組裝質(zhì)量不高,造成瓦與軸局部無油潤間隙而發(fā)熱,造成拉瓦抱軸。4發(fā)動機(jī)總成解體清潔度的試驗方案通過實踐,總結(jié)出如下系統(tǒng)改進(jìn)項目(表2)。(1)建立更加完善的清潔度檢驗系統(tǒng),包括高標(biāo)準(zhǔn)潔凈清潔度試驗室的建立、清潔度檢驗規(guī)范的制訂、產(chǎn)品工藝方式的改進(jìn)。潔凈清潔度試驗室的先進(jìn)檢測手段有顆粒收集設(shè)備、顆粒自動計數(shù)設(shè)備、進(jìn)口顆粒分析設(shè)備。把清潔度作為一個質(zhì)量控制點加以控制,對日常供貨進(jìn)行嚴(yán)格的入庫檢驗,并在過程控制中強制執(zhí)行;對自制件,每日進(jìn)行零件清潔度的檢查;凡是與機(jī)油相接觸的采購件均在制造過程、入廠驗收過程中,對零件清潔度作嚴(yán)格控制。加強對工位器具與裝配臺清潔度的控制與改善,在裝配過程中要杜絕零件的二次污染,保證其清潔度。公司多年的零件清潔度檢查跟蹤,主要零件的清潔度狀況統(tǒng)計如表3所示。公司每月進(jìn)行三臺發(fā)動機(jī)總成清潔度的檢查。按QC/901-1998《汽車發(fā)動機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗評定方法》對發(fā)動機(jī)總成的解體雜質(zhì)質(zhì)量、軸瓦拉傷情況、各摩擦副的磨損情況進(jìn)行評價。根據(jù)對多臺試驗后的發(fā)動機(jī)解體清潔度評價,總成雜質(zhì)總重量狀況統(tǒng)計如表4所示。結(jié)果表明,發(fā)動機(jī)總成解體清潔度的雜質(zhì)重量遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求,這與零件清潔度檢查是吻合的。而軸承間隙中進(jìn)入硬質(zhì)顆粒是軸瓦產(chǎn)生拉傷的主要原因,多數(shù)軸瓦拉傷屬于一級,并且這種拉傷的軸瓦在多次的250h試驗中并無損傷的擴(kuò)展。由于清潔度同時由雜質(zhì)質(zhì)量和粒度來控制,在雜質(zhì)質(zhì)量達(dá)標(biāo)的條件下,個別粒度超標(biāo)對摩擦副造成異常磨損的可能性很小。由于在潤滑系統(tǒng)中機(jī)油濾清器的濾清作用,與機(jī)油相接觸的零件表面的雜質(zhì)在進(jìn)入主油道前被機(jī)油濾清器過濾,這些雜質(zhì)再次參與磨粒磨損的可能性很小。此外,柴油機(jī)試驗完成后,將試驗機(jī)油放盡,這樣潤滑系統(tǒng)中的雜質(zhì)又被進(jìn)一步排出柴油機(jī)外,大大降低了由于清潔度的原因造成燒瓦抱軸故障。(2)軸瓦工裝配過程中,要嚴(yán)格按照工藝規(guī)定安裝軸瓦,安裝軸瓦時在軸瓦內(nèi)徑表面涂一層潤滑油,以保證發(fā)動機(jī)冷態(tài)時運轉(zhuǎn)和起動時的潤滑。據(jù)測試表明,發(fā)動機(jī)在冷起動時的磨損量占總磨損量的60%～80%。因此發(fā)動機(jī)廠提升裝配車間曲軸連桿力矩測量機(jī)過程能力,保證軸瓦在工作狀態(tài)下無松動現(xiàn)象,薄壁軸瓦應(yīng)充分堅固,使瓦背緊貼在座孔中,以提高散熱效果和改善應(yīng)力分布。(3)選用質(zhì)量穩(wěn)定及可靠的軸瓦廠生產(chǎn)的連桿瓦。不同生產(chǎn)廠家由于工作環(huán)境、條件不同,生產(chǎn)出的連桿瓦質(zhì)量不相同;采用高強度的軸瓦,同時對連桿瓦的減薄區(qū)嚴(yán)格控制,防止軸瓦早期磨損。(4)提升連桿生產(chǎn)的過程控制能力,嚴(yán)格按照技術(shù)要求測量連桿的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),如連桿大端孔的直徑、圓度、彎曲度。(5)試驗前對機(jī)油溫度進(jìn)行控制。(6)改進(jìn)發(fā)動機(jī)試驗過程控制,規(guī)范發(fā)動機(jī)的試驗程度及相關(guān)工作。根據(jù)公司的做法,通過標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架間的基準(zhǔn)傳遞和對試驗臺架進(jìn)行安裝評審的方式確保發(fā)動機(jī)出廠系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,通過首批小批量發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)一致性試驗評審,制訂出生產(chǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)并在今后批量生產(chǎn)中進(jìn)行不斷修正。具體做法如下:①產(chǎn)品一致性后,發(fā)放小批量級別的產(chǎn)品,供應(yīng)商據(jù)此生產(chǎn)一批配件;②小批量發(fā)動機(jī)先由制造部進(jìn)行發(fā)動機(jī)出廠試驗;③質(zhì)量部對其中的5臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行17～20h的磨合;④對磨合后的發(fā)動機(jī)按性能試驗方法進(jìn)行性能試驗;⑤如果發(fā)動機(jī)達(dá)到產(chǎn)品要求,則根據(jù)產(chǎn)品文件及相關(guān)試驗建立的相關(guān)性,制定出廠試驗規(guī)范,此為第一階段生產(chǎn)試驗指標(biāo),反之查找原因;⑥發(fā)動機(jī)大批量生產(chǎn)中,根據(jù)大量的發(fā)動機(jī)的出廠試驗,結(jié)合產(chǎn)品文件,制定出大批量生產(chǎn)階段的生產(chǎn)試驗規(guī)范。5燒瓦抱軸故障通過四年多的探索與努力,采取了以上有效措施后,公司近幾年出廠的發(fā)動機(jī)在保修期內(nèi)拉瓦抱軸的現(xiàn)象大大降低。圖3所示2003年以來返廠的燒瓦抱軸故障發(fā)動機(jī)數(shù)量變化,從圖中可以看出,燒瓦抱軸故障