張輝

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 前言

由于柴油機(jī)工作負(fù)荷較高，其軸承采用以液體摩擦為理論基礎(chǔ)的軸瓦式滑動(dòng)軸承或襯套式滑動(dòng)軸承。軸承借助于有一定壓力的潤(rùn)滑機(jī)油在軸頸與軸瓦或襯套之間形成油膜，建立液體摩擦，使柴油機(jī)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。其構(gòu)件主要包括主軸瓦、連桿軸瓦和凸輪軸襯套等[1-2]。

連桿軸瓦一般包括連桿上軸瓦和連桿下軸瓦，安裝在連桿和曲軸的連接部位，起到連接和支撐作用。在柴油機(jī)使用的軸瓦中，連桿軸瓦的工作環(huán)境最為惡劣，與其他位置的軸瓦或襯套相比，其承受的壓比更高，也更容易發(fā)生故障，從而引發(fā)相關(guān)部件失效問題。本文針對(duì)某大型柴油機(jī)連桿軸瓦失效問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了解決措施。

1 故障現(xiàn)象

某大型柴油機(jī)于2015年開始批量生產(chǎn)，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程較為穩(wěn)定，產(chǎn)品的市場(chǎng)反饋良好。但從2021年年初開始，該款柴油機(jī)在試車時(shí)頻繁出現(xiàn)單缸連桿軸瓦燒瓦失效問題。該柴油機(jī)出廠試車時(shí)間為45 min，連桿軸瓦失效發(fā)生在開始試車后的15～40 min內(nèi)，故障率高達(dá)5%。連桿軸瓦燒瓦失效狀態(tài)如圖1所示。

圖1 連桿軸瓦失效狀態(tài)

將連桿軸瓦失效信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)匯總，發(fā)現(xiàn)第1缸連桿軸瓦燒瓦占比18%，第2缸燒瓦占比34%，第4缸燒瓦占比22%，第5缸燒瓦占比26%，第3缸和第6缸未出現(xiàn)連桿軸瓦燒瓦現(xiàn)象。從失效占比的統(tǒng)計(jì)情況看，軸瓦失效位置無(wú)明顯規(guī)律。

2 原因分析

該款柴油機(jī)的開發(fā)過(guò)程符合設(shè)計(jì)要求，其可靠性試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)均滿足要求，生產(chǎn)裝配和試車磨合試驗(yàn)穩(wěn)定，售后市場(chǎng)也未出現(xiàn)類似的故障報(bào)修。因此，本次集中爆發(fā)的連桿軸瓦燒瓦失效問題基本可以排除柴油機(jī)整體設(shè)計(jì)上的缺陷，故重點(diǎn)分析相關(guān)零部件質(zhì)量及裝配工藝上的差異點(diǎn)和變化點(diǎn)。

對(duì)連桿軸瓦失效模式和失效情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)本次連桿軸瓦失效并非疲勞失效，而是早期失效，這是由于軸瓦油膜尚未形成，曲軸與軸瓦產(chǎn)生了干摩擦，進(jìn)而出現(xiàn)了高溫?zé)攥F(xiàn)象。連桿軸瓦早期失效的原因有以下幾種可能[3]。

2.1 設(shè)計(jì)因素

對(duì)連桿軸瓦進(jìn)行了設(shè)計(jì)回顧，重點(diǎn)關(guān)注與連桿軸瓦早期失效相關(guān)的液體彈性動(dòng)力學(xué)(EHD)計(jì)算中的粗糙接觸壓力。圖2為連桿軸瓦粗糙接觸壓力云圖。由圖2可知，連桿軸瓦最大粗糙接觸壓力為85 MPa，遠(yuǎn)小于120 MPa的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，可排除連桿軸瓦因設(shè)計(jì)原因?qū)е聼呤н@一因素。

圖2 連桿軸瓦粗糙接觸壓力云圖

2.2 潤(rùn)滑因素

如果柴油機(jī)潤(rùn)滑能力不足或者機(jī)油缺失，軸瓦摩擦副會(huì)因散熱能力不足產(chǎn)生高溫，進(jìn)而導(dǎo)致燒瓦現(xiàn)象。在柴油機(jī)設(shè)計(jì)之初，該因素就已納入考量范疇。因此，該型號(hào)柴油機(jī)在試車啟動(dòng)前，需要通過(guò)機(jī)油泵將機(jī)油注入柴油機(jī)各潤(rùn)滑系統(tǒng)，使軸瓦表面能夠快速建立油膜。此外，觀察了柴油機(jī)在試車過(guò)程中機(jī)油壓力的變化情況，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)油在軸瓦燒瓦前是否出現(xiàn)了明顯的壓力變化。出廠試車數(shù)據(jù)表明，該款柴油機(jī)在試車時(shí)機(jī)油壓力穩(wěn)定，基本維持在0.45 MPa左右(標(biāo)準(zhǔn)值≥0.40 MPa)，機(jī)油壓力在軸瓦燒瓦前后也無(wú)明顯變化。

對(duì)故障機(jī)機(jī)體及曲軸的供油通道進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)油路有阻塞現(xiàn)象。此外，還檢查了下軸瓦的裝配情況，發(fā)現(xiàn)所有主軸瓦裝配正確，沒有出現(xiàn)上下軸瓦裝反的情況。因此，可排除機(jī)油斷供或間斷性缺失導(dǎo)致連桿軸瓦燒瓦失效的因素。

2.3 清潔度問題

清潔度問題也是引發(fā)柴油機(jī)連桿軸瓦失效的常見因素之一。在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果有雜質(zhì)進(jìn)入連桿軸瓦摩擦副，且未能及時(shí)排出，雜質(zhì)會(huì)嵌入軸瓦合金層。由于該款柴油機(jī)的連桿軸瓦材質(zhì)為銅基電鍍瓦，對(duì)雜質(zhì)的鑲嵌性能較差，未完全嵌入的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致連桿軸瓦局部產(chǎn)生干摩擦，進(jìn)而出現(xiàn)高溫?zé)攥F(xiàn)象。如果有雜質(zhì)在柴油機(jī)裝配時(shí)夾雜在軸瓦鋼背與座孔之間，會(huì)使軸瓦局部凸起，在極端情況下，也會(huì)使連桿軸瓦局部產(chǎn)生干摩擦，進(jìn)而出現(xiàn)高溫?zé)攥F(xiàn)象(圖3)。

圖3 因雜質(zhì)引起的軸瓦失效示意圖

對(duì)軸瓦、連桿和曲軸等相關(guān)零部件的清潔度進(jìn)行了抽查。檢測(cè)結(jié)果顯示，相關(guān)零部件的清潔度符合要求。由于柴油機(jī)機(jī)體的體積較大，并未對(duì)機(jī)體的清潔度進(jìn)行全面測(cè)量，僅對(duì)相關(guān)的油道進(jìn)行了檢查，檢測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常。通過(guò)檢測(cè)所有出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象的柴油機(jī)主軸瓦和連桿軸瓦，除已失效的連桿軸瓦，其他軸瓦的表面光潔度級(jí)別均符合要求，且未發(fā)現(xiàn)明顯雜質(zhì)嵌入和拉絲現(xiàn)象，軸瓦鋼背也沒有異物擠壓的痕跡。因此，可以排除清潔度問題導(dǎo)致連桿軸瓦燒瓦失效的因素。

2.4 零部件質(zhì)量因素

圖4 軸瓦半徑對(duì)裝配質(zhì)量的影響

如果已批量生產(chǎn)的柴油機(jī)出現(xiàn)相同故障且故障率較高，其最大的可能原因是相關(guān)零部件質(zhì)量出現(xiàn)了問題。如果零部件尺寸或形位公差出現(xiàn)了超差，零部件裝配出現(xiàn)誤差，或者零部件本身材質(zhì)發(fā)生問題，都會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)零部件功能失效，產(chǎn)生故障。

在連桿軸瓦與連桿配合裝機(jī)時(shí)，如果軸瓦半徑過(guò)大，連桿大頭孔徑偏小，軸瓦靠近分離面的位置會(huì)向內(nèi)凸出，凸起部分將擠壓在曲軸表面，產(chǎn)生較大的徑向接觸壓力，會(huì)破壞油膜，導(dǎo)致軸瓦燒瓦。如果軸瓦半徑過(guò)小，連桿大頭孔徑偏大，則軸瓦與連桿大頭底孔之間必要的徑向壓力就難以形成(圖4)。當(dāng)徑向壓力不足，無(wú)法抵消軸瓦正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的油膜剪切力時(shí)，軸瓦就會(huì)在曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象。

對(duì)軸瓦半徑和連桿大頭孔徑進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示，軸瓦半徑和連桿大頭孔徑均符合設(shè)計(jì)要求。圖5為裝配后軸瓦連桿大頭孔徑測(cè)量示意圖，表1為連桿大頭孔徑測(cè)量結(jié)果。

圖5 連桿軸瓦裝配后的大頭孔徑測(cè)量

由表1可知，孔徑連桿軸瓦1點(diǎn)位置和9點(diǎn)位置A處和C處孔徑的差值變化較大，最大值達(dá)到0.074 mm，最小值也有0.021 mm。測(cè)量結(jié)果表明，在1點(diǎn)位置和9點(diǎn)位置的軸瓦結(jié)合部位處，連桿軸瓦定位唇部位發(fā)生了翹曲變化，出現(xiàn)了異常磨損現(xiàn)象(圖6)。該結(jié)論在后續(xù)拆機(jī)試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。因此，需要對(duì)連桿和連桿軸瓦進(jìn)行全尺寸檢查，以確保零部件尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。但僅對(duì)零部件尺寸進(jìn)行檢測(cè)并不能判定造成定位唇位置出現(xiàn)異常磨損的原因，還需要進(jìn)一步分析。

圖6 軸瓦定位唇位置出現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象

對(duì)出現(xiàn)異常磨損的連桿軸瓦進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軸瓦鋼背靠近定位唇位置處有明顯的高亮壓痕。對(duì)同批次尚未裝配的軸瓦定位唇的直角輪廓進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該處鋼背貼合面已經(jīng)凸起，凸起高度為0.095 mm(圖7)，超出了軸瓦減薄區(qū)的減薄量不得大于0.050 mm的要求。當(dāng)軸瓦裝配后，內(nèi)孔定位唇位置呈凸起狀，造成了軸瓦內(nèi)側(cè)的異常磨損。

表1 連桿軸瓦裝配后的內(nèi)孔徑測(cè)量

當(dāng)連桿軸瓦出現(xiàn)異常磨損時(shí)，油膜在極限情況下被破壞，導(dǎo)致軸瓦燒瓦。這是該機(jī)型軸瓦出現(xiàn)短期燒瓦失效的原因之一。

圖7 軸瓦定位唇位置結(jié)構(gòu)

當(dāng)曲軸、連桿與軸瓦形成配對(duì)摩擦副時(shí)，如果曲軸頸部失圓，會(huì)使軸瓦表面承受的負(fù)荷不均衡，軸瓦局部負(fù)荷過(guò)高。如果負(fù)荷超過(guò)軸瓦合金層的承受極限，軸瓦會(huì)出現(xiàn)早期疲勞失效。曲軸軸頸失圓形式如圖8所示。此外，對(duì)曲軸軸頸尺寸進(jìn)行了批量檢驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果顯示，曲軸軸頸直徑、曲軸軸頸母線的直線度和平行度均符合設(shè)計(jì)要求。

2.5 裝配因素

在裝配過(guò)程中，錯(cuò)誤的操作方式會(huì)使零部件的使用性能發(fā)生變化，無(wú)法滿足要求，從而出現(xiàn)零部件失效問題。因此，需要持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)活塞連桿組件的部裝和整機(jī)組裝過(guò)程。在裝配中，需要注意以下操作要點(diǎn)：① 連桿與軸瓦安裝前，應(yīng)將接觸表面擦拭干凈；② 應(yīng)在軸瓦內(nèi)表面涂抹適量的機(jī)油；③ 應(yīng)使用專用吊裝工裝將活塞連桿組件吊裝入機(jī)體；④ 在合裝連桿蓋時(shí)，應(yīng)使用專用兩軸擰緊機(jī)來(lái)擰緊連桿螺栓，并使用扭力扳手復(fù)扳，進(jìn)行扭力防錯(cuò)；⑤ 螺栓擰緊后，應(yīng)檢查連桿側(cè)隙，確保連桿大頭能在曲軸連桿軸頸自由滑動(dòng)；⑥ 活塞連桿全部組裝完畢后，應(yīng)測(cè)量曲軸的回轉(zhuǎn)力矩，評(píng)價(jià)活塞環(huán)和軸瓦等摩擦副的配合情況。

在零部件裝配過(guò)程中，如果裝配人員的操作不規(guī)范，容易使軸瓦或曲軸表面出現(xiàn)碰傷或劃傷，會(huì)對(duì)后續(xù)零部件的正常使用造成一定的影響。

檢查跟蹤整個(gè)裝配過(guò)程，在裝配活塞連桿組件時(shí)，活塞連桿組件靠自身重力裝入機(jī)體，在此過(guò)程中，由于活塞連桿組自身重力較大，落入機(jī)體的速度較快，現(xiàn)有導(dǎo)向工裝導(dǎo)向不穩(wěn)，導(dǎo)致軸瓦被砸掉或者曲軸軸頸被碰傷(圖9)。這也是引起軸瓦燒瓦失效的可能因素之一。

圖8 曲軸軸頸失圓形式

表2 新生產(chǎn)批次連桿軸瓦裝配后的內(nèi)孔徑測(cè)量

圖9 曲軸軸頸出現(xiàn)碰傷

3 解決措施

通過(guò)上述連桿軸瓦失效原因的分析，提出以下解決措施。

3.1 軸瓦定位唇異常磨損的解決措施

針對(duì)連桿軸瓦定位唇處的異常磨損，與軸瓦供應(yīng)商溝通，最終鎖定問題的根源是定位唇?jīng)_壓模具出現(xiàn)了磨損變形，導(dǎo)致軸瓦鋼背貼合面在靠近定位唇位置凸起變形。軸瓦在裝配后，在靠近定位唇位置出現(xiàn)向內(nèi)凸起的現(xiàn)象，最終與曲軸軸頸產(chǎn)生異常磨損。

通過(guò)更換模具及調(diào)整模具更換周期，將每副模具生產(chǎn)1 500片調(diào)整為每副模具生產(chǎn)1 200片，并相應(yīng)調(diào)整其他工序模具的使用壽命。模具調(diào)整后，對(duì)新生產(chǎn)批次的軸瓦零部件按照原測(cè)量方式進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)連桿裝配軸瓦后的大頭孔徑數(shù)據(jù)得到了明顯改善，見表2。

3.2 曲軸軸頸碰傷的解決措施

針對(duì)活塞連桿組件裝配過(guò)程中軸瓦和曲軸可能出現(xiàn)碰傷的問題，對(duì)吊裝工序進(jìn)行了修改和優(yōu)化，使活塞連桿能緩慢吊裝進(jìn)入機(jī)體。此外，在曲軸軸頸和連桿大頭都增加了樹脂保護(hù)套，避免曲軸軸頸在裝配時(shí)被碰傷。

在采取上述措施后，該款柴油機(jī)在試車過(guò)程中性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)類似連桿軸瓦失效問題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從柴油機(jī)設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑、零部件質(zhì)量和裝配工藝等方面分析了連桿軸瓦早期燒瓦的原因，初步判斷引起燒瓦故障的主要原因是軸瓦自身的質(zhì)量問題及裝配過(guò)程中因操作不當(dāng)引起的零部件碰傷或劃傷問題。但是，產(chǎn)生軸瓦燒瓦故障的原因并非由單個(gè)因素引起，有可能是幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果。因此，在柴油機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，為了確保柴油機(jī)的質(zhì)量與性能，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并控制零部件的質(zhì)量，保障零部件裝配過(guò)程的穩(wěn)定性。