发动机烧瓦抱轴故障分析及改进

发动机烧瓦抱轴故障分析及改进

1轴瓦黏结磨损故障轴瓦是柴油发动机最重要的部件之一。在运行过程中，荷载相对复杂，承担着气体畸变、运动惯性和轴盖张力的作用，以及循环交变率。如果使用不当，工作环境将恶化。如果使用不当，就很容易导致轴颈和轴瓦的早期磨损和损坏。“烧瓦抱轴”是指发动机曲轴与支承其转动的滑动轴承——曲轴瓦、连杆瓦之间,由于润滑不良出现干摩擦和半干摩擦,在高温、高压和高转速下,轴颈与轴瓦相互烧结,导致发动机无法正常运转的现象。轴瓦在运转中出现了不应有的剥离、龟裂、烧损和严重拉伤等现象,轻者需要更换主轴瓦及连杆活塞组,重者会使柴油机曲轴颈严重拉伤,甚至还会使曲轴、机体报废。这一故障不但给正常的生产带来严重的干扰,而且还会造成很大的经济损失。造成发动机烧瓦抱轴的原因虽然是多方面的,但归根到底是其润滑条件被破坏,引起摩擦性质改变而形成粘附磨损。本文结合某公司近年来实际生产中的案例,对返修回厂的发动机烧瓦抱轴故障进行原因分析,并给出改进措施,大大降低了此类故障的发生率,对现实柴油发动机的生产及应用有一定的指导意义。2轴瓦烧损故障现将该公司2008年返回厂内维修的烧瓦抱轴发动机作出统计,如表1所示。从统计的故障情况以及故障实物看,柴油发动机一旦发生轴瓦烧损,轴瓦表面有大面积的烧结、亮斑以及很深的拉痕,有的合金层均脱落,露出钢背,绝大部分曲轴主轴颈、连杆颈磨损较为严重,轴瓦转圈,堵塞油路,引起拉缸、抱缸,曲轴甚至超过修理等级限制而报废。3驱动器炉压块的机理和原因3.1润滑是抗磨和抗磨的基础原因。据树柴油发动机在高速运转中,整个连杆相对于气缸中心线做摆动,连杆颈旋转速度相当高,由于承受较大的冲击负载,连杆瓦与连杆颈之间产生严重的摩擦,产生大量的热量;同时润滑机油在长期的高温条件下,不断氧化产生有机酸,对瓦的表面产生腐蚀,并且机油中不可避免存在各种机械杂质,进入轴颈与瓦之间发生微粒摩擦。不同原因造成轴瓦故障的症状不相同,由各自的物理机械个性所致,但是都离不开润滑理论。众所周知,摩擦和抗磨存在于任何摩擦副中,润滑是减少摩擦和阻止磨损的最简单有效的方法。因为摩擦副处于完全液体动力润滑状态时,相对运动的摩擦表面依靠传递赫兹接解压力支撑,固体表面几乎不接触,所以磨损几乎是不会发生的;同时,液体动力润滑油膜的存在,也极大地改善了摩擦表面的负荷条件,使相对运动的摩擦表面处于承受小得多而又比较均匀的受力状态,这对减少以至完全避免摩擦磨损是极为有利的。轴瓦与曲轴颈这对配合摩擦副,表面被润滑油层分隔开,曲轴依靠油膜层“托附”在轴瓦表面。要形成在两零件表面相对运动时,产生油楔间隙,将轴托起,使摩擦表面分开,就要求作用在轴上的载荷应小于油楔的承载能力,轴瓦与轴颈内表面几何形状偏差尽可能地小,破坏了这些条件,轴瓦就要产生故障。因此轴瓦烧损的机理是由于轴颈与轴瓦之间的润滑油膜破裂,导致轴瓦与轴颈产生干摩擦,在高温、高压和高转速下,轴瓦的耐磨合金层过早地磨损或熔化,从而引起轴瓦合金层剥落损伤,并粘咬在轴颈上。更严重者由于轴与瓦的粘结,会使轴瓦的钢背在连杆大端座孔中产生旋转运动,再由钢背与座孔的进一步摩擦引起高温,使轴瓦烧坏,并会造成连杆螺栓折断,发生连杆甩出捣坏发动机的恶性事故。3.2柴油发动机燃料结构覆盖轴的主要原因造成发动机拉瓦抱轴的原因是多方面的,主要因素有以下几方面。3.2.1连续工艺层厚度不均匀,连轴瓦材料选择不当,其耐磨性、嵌入性和抗疲劳性差,合金层与钢板粘接不牢,出现剥离、气泡、合金层厚度不均匀等现象。柴油机组装后,试验磨合初期发生烧瓦,检查时往往发现连杆瓦合金脱落,这属于合金层贴合不牢,受力后造成脱落。研究表明:对于采用铝-锡-铜合金的减磨层,提高其中的铜含量能提高其耐磨性,但是随之会产生“甲虫状裂皮”而降低其疲劳强度,因此要用尽可能薄的减磨层厚度。3.2.2轴瓦与轴瓦衬层间的异物引起碳极柴油机主要配件(如曲轴、轴瓦、缸体、连杆)以及润滑油中杂质较多,以及装配过程中的二次污染,金属磨屑或外来硬性物质进入曲轴轴瓦工作表面,当这些金属磨粒形成的高点大到足以同轴颈接触而产生摩擦,曲轴转动时,很容易拉伤瓦合金及曲轴颈,导致轴承衬层被破坏。在瓦背与座孔之间的异物(主要是磨粒)使轴瓦背与座孔贴合不好,由于热传导不良,引起轴瓦表面局部温度升高;同时由于载荷不均,在轴瓦表面出现异常高压区,加剧了局部磨损。通过对多起烧瓦抱轴事故的分析表明,事故是由于杂质等异物引起的,这些杂质与异物一部分源自机械磨损,另一部分则源自零件的清洁度与油管路内的清洁度。对于杂质重量、数量和尺寸严重超标,堵塞主油道这种情况,发动机在出厂前的试验中就会发生拉瓦,同时表现出机油压力低、漏气量大等现象,这种情况属于发动机前期故障。至于发动机中杂质总重量合格但杂质尺寸不合格的情况,会在瓦上造成划伤现象但是不会马上造成拉瓦或抱瓦。因此必须加强零件的清洁度和装配清洁度,同时也要加强机油滤清系统的滤清效果。3.2.3润滑剂的影响(1)影响机压的选择机油压力不足造成连杆轴瓦抱轴多为偶发性。轴瓦损坏特征是合金大面积撕裂,钢表面呈蓝褐色,轴瓦内无润滑油,温度较高。(2)糖液动面的温度一般情况下,中、低速柴油机曲轴轴颈与轴承之间的最小润滑油膜厚度为5～10μm,高速柴油机的为2～5μm,其中连杆轴承可低至1μm,而轴颈与轴承之间的配合间隙一般为0.03～0.13μm。图1给出了连杆大端最小油膜与油温之间的关系,从图中可以看出,发动机在正常工作过程中,连杆大端上的润滑油膜厚度大多在1μm左右,随着发动机温度的升高,机油温度随之上升,轴颈与轴承之间的润滑厚度却随着机油温度的升高而减少,当机油温度高于150℃时,油膜发生断裂,导致曲轴轴颈与轴承之间的滑动面固体接触,使滑动面的温度急剧升高,当滑动面的温度升高到一定程度时,发生粘着烧结,从而造成烧瓦抱轴的故障。众所周知,油温过低时,润滑油黏度过大,流动性较差,特别是在冷机起动阶段,进入曲轴轴承的油量较小,油膜不易形成,容易造成滑动面直接接触,加快了轴承的磨损和损坏,当机油起沫(在标准大气状态下机油中存有部分空气)值提高时,连杆轴瓦的磨损也会增加。图2给出了轴瓦在额定功率下的相对磨损率与机油温度的关系,从图中可以看出,机油温度升高,机油黏度降低,油膜强度减弱,造成轴瓦的磨损增大,轴颈与轴瓦两者之间的直接摩擦导致温度迅速升高,造成膨胀变形,直至间隙完全消失,发展成烧瓦抱轴,这与图1所描述的结果是完全吻合的。3.2.4润滑条件差造成不正常磨损曲轴工作表面精度和表面粗糙度是保证形成良好润滑的重要条件,如果曲轴的直径、圆度、直线度、轴颈圆角达不到技术要求,会使曲轴轴颈与轴承间隙发生变化,减小油膜厚度或阻止油膜形成,导致润滑条件不好,造成金属直接接触和轴承出现不正常磨损。多台试验发动机检测结果表明,轴颈的不平度平均高度Rz从1.1μm下降到0.7μm时,连杆轴承磨损率下降了将近50%,这真实地反映了轴颈光洁度对连杆轴承磨损率的影响。3.2.5连续工艺钢约束层压孔时孔不牢固,导致表面价值低轴瓦尺寸是保证连杆瓦的瓦背与连杆大端孔紧密贴合的重要条件。如果连杆瓦定位唇、镀层、厚度、减薄量达不到技术要求,容易造成瓦背与连杆大端孔贴合不好,瓦在孔内转动,导致瓦的润滑间隙减小,润滑条件不好。3.2.6接触压力载荷连杆大头孔的直径、粗糙度、直线度、圆度、扭曲度不合格,会造成轴颈和轴瓦之间的正常间隙发生变化。间隙过大,将导致轴瓦与轴颈间的接触弧度变小,增加油膜的压力载荷,加剧轴瓦的疲劳;间隙过小,会限制机油流动,难以形成油膜,不能将摩擦产生的热量及时带走,会增加过热变形和抱瓦倾向,并且连杆弯曲或扭曲变形后,使连杆瓦与连杆轴颈之间产生不正常偏磨,造成连杆瓦局部受力过大,产生过热烧损。连杆直径、圆度、弯曲度、粗糙度不达标,反映在瓦上就是瓦的两侧出现偏磨的亮带,反映在瓦背上就是瓦的背面出现黑块。这是因为瓦背和连杆大头孔贴合不好,有微动的磨痕,瓦背和连杆大头孔中间有间隙,有机油渗入间隙而留在瓦背上。3.2.7轴瓦与轴承装配错差造成的拉瓦抱轴连杆螺栓拧紧力矩不当、主轴承盖拧紧力矩不当,连杆轴承盖、轴承装配错等,会造成曲轴不同程度和不同形式的损坏,从而造成轴瓦与曲轴的配合间隙油隙不合适或组装质量不高,造成瓦与轴局部无油润间隙而发热,造成拉瓦抱轴。4发动机总成解体清洁度的试验方案通过实践,总结出如下系统改进项目(表2)。(1)建立更加完善的清洁度检验系统,包括高标准洁净清洁度试验室的建立、清洁度检验规范的制订、产品工艺方式的改进。洁净清洁度试验室的先进检测手段有颗粒收集设备、颗粒自动计数设备、进口颗粒分析设备。把清洁度作为一个质量控制点加以控制,对日常供货进行严格的入库检验,并在过程控制中强制执行;对自制件,每日进行零件清洁度的检查;凡是与机油相接触的采购件均在制造过程、入厂验收过程中,对零件清洁度作严格控制。加强对工位器具与装配台清洁度的控制与改善,在装配过程中要杜绝零件的二次污染,保证其清洁度。公司多年的零件清洁度检查跟踪,主要零件的清洁度状况统计如表3所示。公司每月进行三台发动机总成清洁度的检查。按QC/901-1998《汽车发动机产品质量检验评定方法》对发动机总成的解体杂质质量、轴瓦拉伤情况、各摩擦副的磨损情况进行评价。根据对多台试验后的发动机解体清洁度评价,总成杂质总重量状况统计如表4所示。结果表明,发动机总成解体清洁度的杂质重量远低于指标要求,这与零件清洁度检查是吻合的。而轴承间隙中进入硬质颗粒是轴瓦产生拉伤的主要原因,多数轴瓦拉伤属于一级,并且这种拉伤的轴瓦在多次的250h试验中并无损伤的扩展。由于清洁度同时由杂质质量和粒度来控制,在杂质质量达标的条件下,个别粒度超标对摩擦副造成异常磨损的可能性很小。由于在润滑系统中机油滤清器的滤清作用,与机油相接触的零件表面的杂质在进入主油道前被机油滤清器过滤,这些杂质再次参与磨粒磨损的可能性很小。此外,柴油机试验完成后,将试验机油放尽,这样润滑系统中的杂质又被进一步排出柴油机外,大大降低了由于清洁度的原因造成烧瓦抱轴故障。(2)轴瓦工装配过程中,要严格按照工艺规定安装轴瓦,安装轴瓦时在轴瓦内径表面涂一层润滑油,以保证发动机冷态时运转和起动时的润滑。据测试表明,发动机在冷起动时的磨损量占总磨损量的60%～80%。因此发动机厂提升装配车间曲轴连杆力矩测量机过程能力,保证轴瓦在工作状态下无松动现象,薄壁轴瓦应充分坚固,使瓦背紧贴在座孔中,以提高散热效果和改善应力分布。(3)选用质量稳定及可靠的轴瓦厂生产的连杆瓦。不同生产厂家由于工作环境、条件不同,生产出的连杆瓦质量不相同;采用高强度的轴瓦,同时对连杆瓦的减薄区严格控制,防止轴瓦早期磨损。(4)提升连杆生产的过程控制能力,严格按照技术要求测量连杆的关键技术参数,如连杆大端孔的直径、圆度、弯曲度。(5)试验前对机油温度进行控制。(6)改进发动机试验过程控制,规范发动机的试验程度及相关工作。根据公司的做法,通过标准发动机进行台架间的基准传递和对试验台架进行安装评审的方式确保发动机出厂系统的准确性,通过首批小批量发动机的生产一致性试验评审,制订出生产控制标准并在今后批量生产中进行不断修正。具体做法如下:①产品一致性后,发放小批量级别的产品,供应商据此生产一批配件;②小批量发动机先由制造部进行发动机出厂试验;③质量部对其中的5台发动机进行17～20h的磨合;④对磨合后的发动机按性能试验方法进行性能试验;⑤如果发动机达到产品要求,则根据产品文件及相关试验建立的相关性,制定出厂试验规范,此为第一阶段生产试验指标,反之查找原因;⑥发动机大批量生产中,根据大量的发动机的出厂试验,结合产品文件,制定出大批量生产阶段的生产试验规范。5烧瓦抱轴故障通过四年多的探索与努力,采取了以上有效措施后,公司近几年出厂的发动机在保修期内拉瓦抱轴的现象大大降低。图3所示2003年以来返厂的烧瓦抱轴故障发动机数量变化,从图中可以看出,烧瓦抱轴故障