單士睿,董晨煜

(許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 許昌 461000)

0 引言

NY128柴油機主要用于拖拉機動力,有些拖拉機的發(fā)動機運轉(zhuǎn)了很短的一段時間便出現(xiàn)了柴油機拉瓦事故。拉瓦事故發(fā)生后,如果不及時進行處理,輕者需要更換主軸瓦或活塞連桿瓦,重者甚至有可能會導(dǎo)致機體、曲軸報廢等問題。如果在正常鉆井過程中柴油機突然發(fā)生拉瓦故障停車,有可能會造成鉆機鉆具卡住,甚至造成這口井報廢。這一問題不但會給井隊生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的干擾,同時也會造成用戶極大的經(jīng)濟損失。

出現(xiàn)拉瓦事故的發(fā)動機,多為季節(jié)交替過程中生產(chǎn)的發(fā)動機。這個問題很難解決,嚴(yán)重困擾著柴油機生產(chǎn)廠家。為此,通過對拉瓦產(chǎn)生的機理及可能引起拉瓦的各種情況進行分析,找到有效解決拉瓦事故的關(guān)鍵因素。

1 主軸瓦拉瓦情況

拖拉機的柴油機拉瓦是較為嚴(yán)重的事故,對近5年來的用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)拖拉機柴油機統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看,大部分NY128拉瓦柴油機新機運行時間不超過3 000h,或柴油機修理后1 500h內(nèi)出現(xiàn)了拉瓦現(xiàn)象。NY128柴油機主用于拖拉機,平均運行轉(zhuǎn)速在1 900r/min左右,功率小于300kW。除了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)拉瓦事故外,有些發(fā)動機還未出廠在試車過程中就出現(xiàn)了拉瓦事故,并且大部分的拉瓦發(fā)動機集中出現(xiàn)在冬季。

從拆解的發(fā)動機可以看出:大部分主軸瓦拉瓦主要集中在第3、4道主軸瓦上面,能夠看到有很深的拉痕,嚴(yán)重時主要表現(xiàn)為下瓦合金層脫落現(xiàn)象,如圖1所示;主軸瓦背出現(xiàn)灼燒痕跡,如圖2所示。拉瓦發(fā)現(xiàn)較早時曲軸表面僅有少量拉痕,嚴(yán)重時主軸表面出現(xiàn)拉傷、燒黑甚至于磨細(xì)現(xiàn)象發(fā)生;而連桿瓦拉瓦新機發(fā)生得較少,基本沒有發(fā)生過。

圖1 12V190柴油機主軸瓦拉瓦情況。

圖2 主軸瓦瓦背。

2 柴油機拉瓦產(chǎn)生的原因分析

在正常工作狀態(tài)中,柴油機曲軸與軸瓦之間兩摩擦副金屬表面依靠分子間的引力,各自吸附機油油膜,曲軸與軸瓦金屬表面完全被這層油膜所隔開,不直接接觸,形成理想的摩擦狀態(tài)。一旦油膜發(fā)生破裂,理想狀態(tài)下的摩擦狀態(tài)遭到破壞,金屬之間直接接觸,發(fā)生干摩擦,從而造成表面較軟的金屬層脫落,甚至發(fā)生表面融合現(xiàn)象,這就是拉瓦產(chǎn)生的機理。

在工作過程中,柴油機潤滑油在長期的高溫條件下不斷氧化產(chǎn)生有機酸,對瓦的表面產(chǎn)生了腐蝕,且機油中或多或少地存在著微粒雜質(zhì),這些微粒雜質(zhì)進入到曲軸與軸瓦之間,發(fā)生相互的摩擦,都會不同程度地造成曲軸或瓦的損傷[1]。

發(fā)動機拉瓦初期表現(xiàn)在呼吸器廢氣大、機油濾芯內(nèi)有金屬鋁末,后期拉瓦嚴(yán)重時會出現(xiàn)發(fā)動機功率下降、油壓低、發(fā)動機異響甚至發(fā)動機機體內(nèi)冒煙等現(xiàn)象,更嚴(yán)重時會出現(xiàn)連桿打爛機體的惡性事故。

下面從曲軸、機體、瓦、清潔度、裝配、使用等多個方面進行討論,找到影響發(fā)動機拉瓦的關(guān)鍵因素。

2.1 曲軸的影響

NY128柴油機曲軸采用的材料為35CrMo鍛造而成,曲軸軸頸經(jīng)過精磨后進行氮化處理,然后再進行拋光。曲軸表面的粗糙度對發(fā)動機的影響尤為關(guān)鍵,柴油機相關(guān)數(shù)據(jù)表明:曲軸軸頸粗糙度為Ra0.2～Ra0.4之間時,拉瓦的故障率較低;曲軸的粗糙度為Ra1.0時,拉瓦的概率將明顯增加,高達8%[2]。如果表面光潔度不夠或者內(nèi)部有裂紋等均會導(dǎo)致發(fā)動機曲軸在運行中出現(xiàn)故障。目前,NY128曲軸采取表面處理的方式為曲軸氮化后拋光。拋光時,曲軸軸頸的出油孔應(yīng)特別注意:如果出油孔未得到較好的處理,在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)過程中高速運轉(zhuǎn)時會破壞油膜的建立,油孔出現(xiàn)燒灼的痕跡。

曲軸與軸承間隙的過大,機油泄露量多;軸承間隙過小,又易使局部地方形成不了潤滑油膜,造成因潤滑不足引起的曲軸異常磨損[3]。由拉瓦現(xiàn)象可以看出:拉瓦主要集中在曲軸中間的第3、4、5道主軸頸,第4主軸頸情況最為嚴(yán)重。這表明,曲軸與軸瓦之間配合存在明顯的問題:曲軸軸頸可能呈橢圓形,造成局部間隙過小,導(dǎo)致曲軸異常磨損現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 機體的影響

機體變形主軸孔同軸度超差,裝配后主軸瓦孔與曲軸配合間隙不當(dāng),發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中造成局部軸瓦間隙偏小,易與局部發(fā)生干摩擦,造成抱瓦事故。同樣的機體個別瓦孔尺寸超差或者裝配主軸瓦蓋與機體之間裝配錯齒或出現(xiàn)齒形不配對現(xiàn)象,都會出現(xiàn)問題。正常情況下,NY128發(fā)動機曲軸與機體瓦孔配合間隙為0.16～0.239mm。

機體主軸孔與主軸瓦貼合度不好,會造成主軸瓦局部受熱變大,熱傳導(dǎo)不良造成主軸瓦及曲軸非正常發(fā)生受熱膨脹,造成局部配合間隙減少及局部磨損,最后導(dǎo)致了拉瓦事故。因此,機體的氣缸孔與機體中心孔之間的垂直度也是一個重要的指標(biāo)。如果此數(shù)據(jù)不達標(biāo),會造成連桿瓦受力不均,很容易出現(xiàn)問題。

2.3 軸瓦的影響

NY128柴油機軸瓦采用的材料為高錫鋁合金,此種材料經(jīng)過多年的驗證,目前使用的瓦完全能夠適應(yīng)發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。

對多臺拉瓦機組情況分析來看,連桿瓦出現(xiàn)問題主要表現(xiàn)在除了中間3道拉瓦嚴(yán)重外,其余的瓦基本沒有問題,可以排除瓦本身的質(zhì)量問題。

軸瓦裝配在發(fā)動機后,軸瓦出現(xiàn)的橢圓度要引起重視,軸瓦在裝配前進行檢查,確保45°方向及90°方向不超過0.02mm。如果超差過大,在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中可能會造成局部曲軸與軸瓦間隙過小現(xiàn)象,導(dǎo)致拉瓦現(xiàn)象發(fā)生。

裝配時,軸承蓋的扭緊力矩要控制。扭緊力過大,容易使軸瓦產(chǎn)生塑形變形,使瓦的彈開量消失導(dǎo)致報軸燒瓦現(xiàn)象發(fā)生;扭緊力過小,會使軸瓦在工作時產(chǎn)生微量的轉(zhuǎn)動而使軸瓦異常磨損。

2.4 清潔度的影響

機體、曲軸、連桿、活塞及氣缸套等零部件在裝配前若沒有處理干凈,內(nèi)部存在金屬鐵屑或其它硬性顆粒,在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中通過油路的運動粘結(jié)在軸瓦上,曲軸與其接觸摩擦,運轉(zhuǎn)過程中很容易造成軸瓦損傷。在瓦孔與瓦背之間存在磨粒的話,會使瓦背與機體主軸座孔表面接觸不良,使導(dǎo)熱性變差,引起軸瓦局部溫度升高,加劇了局部的磨損。因清潔度的問題會使軸瓦早起損壞失效的概率高達48.5%左右,通過對多起拉瓦事故機的拆解分析,能夠明顯看到有部分機組拉瓦是由于瓦劃傷加劇造成的拉瓦。在劃瓦初期,發(fā)動機會表現(xiàn)為機組廢氣大、機油壓力低或發(fā)動機有異響等現(xiàn)象[4]。

從部分發(fā)動機拉瓦事故來看,清潔度較差的發(fā)動機在初期會出現(xiàn)瓦片劃傷的情況,有硬性的物質(zhì)會嵌入到瓦軸中,短時間如果雜質(zhì)不再增多,發(fā)動機在低負(fù)荷下可以正常運轉(zhuǎn),如長期運行下去,由于局部的拉傷造成局部油膜建立不好,出現(xiàn)過熱點造成瓦合金層的脫落,最后造成曲軸的拉傷。

2.5 機油的影響

機油對發(fā)動機的影響不可忽視,尤其是在冬季冷啟動時,機油溫度低粘度比較大,進入曲軸軸承的油量較小,油膜不容易形成,如果啟動前沒有進行適當(dāng)?shù)念A(yù)潤滑,會造成曲軸與軸瓦直接接觸,加快了軸瓦的磨損與破壞,因此在冷機啟動前應(yīng)特別注意預(yù)供油或?qū)C油進行提前加熱啟動。正常情況下,中低速柴油機曲軸與主軸瓦之間的油膜厚度為5～10μm,而連桿軸瓦可承受低至1μm的油膜。隨著發(fā)動機機油溫度的升高,軸頸與軸承之間的油膜厚度隨之降低,當(dāng)溫度高于150℃時,油膜發(fā)生破裂無法形成,會導(dǎo)致曲軸軸頸與瓦之間發(fā)生金屬性的接觸,到了一定程度后會發(fā)生燒結(jié),從而造成燒瓦事故。在運行過程中要特別注意機油粘度的變化,當(dāng)油溫升高粘度下降很低時,油膜強度減弱,會造成軸瓦的迅速磨損。因此,操作過程中一定要對機油的粘度進行檢查。

機油溫度與連桿大頭油膜厚度如圖3所示。

圖3 機油溫度與連桿大頭油膜厚度。

2.6 裝配問題

主軸承螺栓擰緊扭矩不當(dāng)或者連桿蓋或主軸承蓋錯裝,均會造成曲軸不同程度的損傷。有時裝配過程中軸瓦發(fā)生磕碰等現(xiàn)象,會影響曲軸與軸瓦之間油膜建立,導(dǎo)致局部潤滑不好,造成拉瓦現(xiàn)象。

裝配溫度也是一個關(guān)鍵的因素,對2根編號為SD11152、SD111348新加工的曲軸進行了4組不同環(huán)境溫度下的靜態(tài)測量發(fā)現(xiàn):溫度對曲軸軸頸尺寸影響是很大的,表面溫度越高,變化率越大,如表1所示。加工后在環(huán)境溫度為0℃測量曲軸主軸頸為φ160mm,偏差為0。曲軸從0℃變化到49℃,曲軸軸頸方向?qū)⒃黾?.1mm。如果提高到200℃經(jīng)過測試,機體裝主軸瓦壓上緊至規(guī)定扭力,測量主軸瓦孔,測量3次,然后再加溫30℃的溫差變化進行測量,機體主軸孔尺寸基本沒有變化。因此,曲軸在加工裝配過程中,曲軸與機體應(yīng)保持在正常的室溫下裝配,減少曲軸與機體配合間隙的變化率。

表1 曲軸在不同溫度下的變化率。

在冬季,如果曲軸的加工測量是在環(huán)境溫度較低的情況下進行的,那么曲軸在低溫時加工的尺寸與裝配要求的尺寸會有所偏差。冬天生產(chǎn)的曲軸裝配后,發(fā)動機機體與曲軸的間隙將小于在夏季發(fā)動機機體與曲軸間的間隙,這也就解釋了為什么在冬天比夏天更容易出現(xiàn)拉瓦事故的原因。因此,很多的發(fā)動機生產(chǎn)廠商都要求恒溫加工、恒溫裝配是非常有道理且很有必要的。

2.7 零部件質(zhì)量問題

噴油器與高壓油泵是供油系統(tǒng)中的核心部件,在統(tǒng)計調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)有部分機組因噴油器進油管連接處泄漏柴油造成氣缸蓋內(nèi)機油與柴油混合,降低了潤滑油的粘度。高壓油泵柱塞磨損間隙大,柴油與機油混合進入發(fā)動機潤滑系統(tǒng),導(dǎo)致發(fā)動機機油粘度低機油失效。

3 改進方法

3.1 清潔度的提高

1)建立嚴(yán)格的清潔度控制措施。機體在裝配前通過油道沖洗機,對機體的主油道孔、凸輪軸瓦孔、齒輪系孔等部位用機油進行了循環(huán)沖洗,既保證機體油路的清潔,又對發(fā)動機進行了預(yù)潤滑。曲軸由原來的1次煤油清洗改為現(xiàn)在的動平衡前后各1次煤油清洗,然后進行1次潤滑油曲軸油路清洗,將曲軸的清潔度提升一個檔次。

2)連桿軸瓦、主軸瓦裝配前將表面擦拭干凈,涂抹干凈潤滑油,確保清潔度后再進行裝配。在經(jīng)過多次的試車拆解后,軸瓦的表面比較光滑,已經(jīng)沒有了嚴(yán)重的劃痕。通過多次的清潔度檢查,清潔度達到2 500mg以下,達到了控制的要求。

3)其它相關(guān)的油管系采用了超聲波清洗機對管內(nèi)壁進行了清洗,有效地提高了油管系的清潔度,提升了整體的產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 加工及工藝方面

3.2.1 曲軸磨床精度不夠

有部分軸頸圓柱度不夠,最后使用手工修磨,這就造成了曲軸的圓柱度不夠,發(fā)動機軸瓦與軸接觸過程中會出現(xiàn)間隙變化大的問題。為解決此問題,購置了先進的曲軸磨床1臺,提高曲軸表面的粗糙度及主軸頸及連桿軸頸的圓柱度;同時,制作了1臺曲軸光整機,實現(xiàn)曲軸表面的自動拋光,確保曲軸的粗糙度控制在Ra0.2以內(nèi),解決了曲軸油道孔拋光的問題,提高了曲軸的加工精度。

3.2.2 試車方面

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,內(nèi)燃機在冷啟動時的磨損量占到總磨損量的60%～80%。尤其在冬季發(fā)動機試車時,使用機油加熱車對NY128柴油發(fā)動機機油進行外循環(huán)預(yù)熱,可以有效地減少磨合時發(fā)動機軸頸及軸瓦的磨損,降低拉瓦概率。機油溫度、水溫超過40℃后,可以進行加載試驗。試車過程中增加低速磨合時間,讓發(fā)動機在1 000r/min左右先帶負(fù)載磨合一段時間后再逐漸增加轉(zhuǎn)速帶載,減少因試車不當(dāng)造成軸瓦的損傷現(xiàn)象發(fā)生。在磨合試驗完成后,需要對機油進行更換,將磨合過程中產(chǎn)生的金屬微粒通過機油全部放掉,加入新機油。試車放出的機油通過過濾裝置,進行脫水、沉淀、過濾等方式循環(huán)利用,減少了油品的浪費,也提高了試車過程中的清潔度。

對試車座的試車臺車進行了修理,原試車臺車輪子落下后不平整,導(dǎo)致試車臺架與地面部分為點接觸;修理后,平整試車臺架與地面能夠完全接觸,同時對聯(lián)軸器的中心高度也進行了調(diào)整,提高了試車臺架的同軸度,降低了發(fā)動機出現(xiàn)磨止推片和拉瓦概率。

3.3 裝配方面

3.3.1 控制機體的同軸度

裝配柴油機選用同軸度在0.05mm以下的機體,且對主軸孔的尺寸進行嚴(yán)格的控制,保證機體與曲軸的配合間隙。裝配前,對機體與主軸瓦結(jié)合面涂抹龍膽粉進行貼合度檢查,貼合度差的機體不允許使用。

3.3.2 裝配過程

軸瓦內(nèi)外表面擦拭干凈,用橡皮錘輕敲,保證瓦與瓦背的貼合。在瓦內(nèi)表面涂抹一層潤滑油,確保裝配中曲軸與軸瓦不受到損傷,同時嚴(yán)格按照工藝要求的扭矩上緊主軸承螺母,避免出現(xiàn)擠瓦現(xiàn)象。根據(jù)曲軸軸頸與機體主軸徑尺寸進行計算,裝配過程中嚴(yán)格控制主軸瓦間隙,保證軸瓦配合間隙在0.16～0.21mm之間,避免間隙過大或過小。

3.4 其它方面

潤滑油的品質(zhì)直接關(guān)系到發(fā)動機的正常運行,目前的柴油機使用的是CD 15W/40,正常使用時應(yīng)使用這個標(biāo)號或高于此標(biāo)號的機油,保證發(fā)動機的潤滑。要按照規(guī)定的時間對機油濾芯、機油進行更換,機油長時間使用以后會發(fā)生變質(zhì)、變臟,甚至于結(jié)膠,造成機油濾油壓差增大,長時間運轉(zhuǎn)會造成主軸瓦、連桿瓦受損,還有可能會導(dǎo)致更大的事故。

控制主要零部件加工的環(huán)境溫度,機體、曲軸等部件精加工應(yīng)保持環(huán)境溫度在25℃左右,避免溫度對零部件的過大影響。在加工件測量時,要確保與室溫相同后再測量,減少誤差。如果沒有辦法保證加工的環(huán)境溫度,應(yīng)根據(jù)曲軸的膨脹系數(shù)對曲軸與機體裝配的公差做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以滿足實際的曲軸與軸瓦的配合間隙要求。

4 結(jié)論

實踐表明:拖拉機用柴油機在零部件加工質(zhì)量、裝配質(zhì)量、零件質(zhì)量等多個方面提升后,沒有出現(xiàn)過大面積的拉瓦事故返廠機,拉瓦事故發(fā)生率在逐年下降。近幾年沒有一臺NY128柴油機新機因拉瓦拉瓦事故返廠,拉瓦事故得到了有效的控制。