運(yùn)用8D工作法降低柴油機(jī)曲軸油封故障率

田大志，邱揚(yáng)文

（濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司，揚(yáng)州225009）

運(yùn)用8D工作法降低柴油機(jī)曲軸油封故障率

田大志，邱揚(yáng)文

（濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司，揚(yáng)州225009）

8D工作方法以團(tuán)隊(duì)運(yùn)作為導(dǎo)向，以事實(shí)為基礎(chǔ)，避免個(gè)人的主見的介入，使問題的解決更具條理性和合理性。問題的解決，由公司各部門人員共同投入，求得創(chuàng)造性及永久性的解決方案。8D工作法的有效實(shí)施需依賴其它的質(zhì)量工具，F(xiàn)MEA分析、魚刺圖、控制計(jì)劃、試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）等。降低柴油機(jī)曲軸油封故障率是運(yùn)用8D工作法的一個(gè)嘗試，有效解決長(zhǎng)期困惱的質(zhì)量問題。

8D工作法曲軸油封故障率

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前、后端分別采用骨架式油封進(jìn)行密封，其作用是防止曲軸箱內(nèi)的潤(rùn)滑油泄漏。我公司柴油機(jī)最初使用的是丁晴橡膠骨架油封，漏油故障率最高曾達(dá)到19%。后改用氟橡膠、聚四氟乙烯油封后，故障率下降至3%，效果十分明顯。但質(zhì)量仍不穩(wěn)定，時(shí)常還有突發(fā)性批量曲軸油封漏油的事故發(fā)生，客戶抱怨也頗多，成為困惱我們質(zhì)量穩(wěn)定提升的一個(gè)難題。為進(jìn)一步降低前、后油封漏油的故障率，我們公司開始嘗試采用8D工作法解決這一質(zhì)量難題。

8D工作法是美國(guó)福特公司為解決產(chǎn)品質(zhì)量問題而采取的一種方法。曾在其供應(yīng)商中廣泛推行，現(xiàn)已成為國(guó)際汽車行業(yè)（特別是汽車零部件廠家）廣泛采用的解決產(chǎn)品質(zhì)量問題一種有效的方法。1987年，福特汽車公司首次采用書面形式記錄下8D法，并在其一份課程手冊(cè)中將這一方法命名為“團(tuán)隊(duì)導(dǎo)向的問題解決法”（Team Oriented Problem Solving）。

2 油封漏油故障因素的查找

2.1 骨架式油封工作原理

油封安裝在曲軸上，油封的唇口輕微變形，形成寬約0.25～0.5 mm的接觸帶（密封跨距）。軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)唇口與軸之間存在著流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜，其厚度約為2.5 μm（臨界油膜），其剛度正好使空氣側(cè)油膜在液體表面張力作用下形成一個(gè)新月面，防止工作介質(zhì)泄漏，如圖1所示。新月面的形成與保持，是油封密封的必要條件。此外，軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在摩擦力作用下唇口的環(huán)型內(nèi)壁被拉長(zhǎng)，伸長(zhǎng)部分只能以皺紋形式存在于內(nèi)壁上。當(dāng)在唇口與軸的接觸寬度內(nèi)，油腔側(cè)曲線斜率大于空氣側(cè)斜率的徑向壓力分布時(shí)，在空氣側(cè)的唇口內(nèi)壁皺紋就會(huì)形成微型反旋螺紋，產(chǎn)生吸力，使油腔的油無法向空氣側(cè)泄漏。所以，唇口空氣側(cè)微型反旋螺紋的形成是油封密封的充分條件。

圖1 油封密封原理圖

2.2 故障因素查找和分析

首先對(duì)2011年至2012年期間市場(chǎng)反饋油封漏油的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，繪制成圖，作為攻關(guān)的依據(jù)，見圖2。

針對(duì)油封漏油故障，梳理出其主要模式表現(xiàn)為：（1）油封唇口異常磨損；（2）油封蝶型變形；（3）油封溶脹、硬化、龜裂（與潤(rùn)滑油相容性不良）；（4）凸輪軸大堵片引起的漏油，造成誤判；（5）壓裝式油封結(jié)合面漏油；（6）油封外圓與安裝孔的過盈量小，跟轉(zhuǎn)漏油；（7）油封蓋安裝孔口未倒角，形成快口，安裝時(shí)外圓橡膠被切邊，造成漏油。

采用頭腦風(fēng)暴法，集中小組成員的智慧，分別從人、機(jī)器、料、方法和環(huán)境5個(gè)方面對(duì)可能影響油封密封的因素進(jìn)行了分析和總結(jié)。

2.2.1 人（裝配過程人的因素）的影響

裝配時(shí)能否嚴(yán)格按操作指導(dǎo)書進(jìn)行操作、正確使用裝配工具來保證油封骨架不變形及油封安裝孔軸線與曲軸旋轉(zhuǎn)中心同軸，是影響曲軸油封封油質(zhì)量的一個(gè)重要因素。

裝配車間人員變動(dòng)大，分廠缺乏足夠的時(shí)間對(duì)新進(jìn)員工進(jìn)行培訓(xùn)，操作人員對(duì)工藝的理解不透徹，執(zhí)行工藝不到位。

2.2.2 機(jī)器（油封壓裝和輸送過程）的影響

曲軸在輸送過程中，因吊裝不當(dāng)、工位器具設(shè)計(jì)不合理對(duì)曲軸大端造成磕碰傷，這會(huì)直接造成使用過程中油封漏油。

工裝、設(shè)備維護(hù)不到位。后油封壓裝工裝使用周期長(zhǎng)、精度下降，定位工裝磨損有毛刺，壓裝后油封發(fā)生外圓橡膠切邊或翻邊的故障。

2.2.3 料（設(shè)計(jì)、材料等質(zhì)量）的影響

（1）油封及其相關(guān)零件的設(shè)計(jì)。主要影響因素為油封密封唇內(nèi)徑、油封外徑、油封外圈寬度和油封安裝孔孔口倒角形式。油封密封唇內(nèi)徑與曲軸表面的配合應(yīng)為小過盈量的過盈配合。如油封密封唇內(nèi)徑尺寸比軸尺寸大，則油封密封唇與軸頸不能形成有效的密封帶，無疑會(huì)在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)漏油。油封的外徑與油封安裝孔的配合也應(yīng)有一定的過盈量。油封裝入安裝孔后，即使在曲軸旋轉(zhuǎn)的作用下，也不允許油封轉(zhuǎn)動(dòng)。若油封外徑尺寸公差帶選得偏小，與安裝孔形成的過盈量很小或?yàn)榱?，這將使曲軸在旋轉(zhuǎn)過程中通過摩擦力拖動(dòng)油封整體運(yùn)動(dòng)，形成油封外圈與安裝孔間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使油封外圈很快磨損，導(dǎo)致油封迅速失去密封功能。

油封外圈寬度應(yīng)與安裝孔的深度相等。若油封外圈寬度尺寸大于安裝孔深度尺寸，則一方面使油封支撐不牢，導(dǎo)致曲軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)油封易發(fā)生整體變形；另一方面，將使曲軸表面與油封密封唇在一定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，其結(jié)果是降低油封的密封效果，并使油封壽命縮短。

油封安裝孔孔口倒角，應(yīng)設(shè)計(jì)成圓角，避免在裝配過程中銳邊對(duì)油封外圈橡膠剪切，造成壓裝過程油封歪斜，油封骨架受傷。

（2）油封材質(zhì)的選擇：曲軸油封的材質(zhì)選擇是關(guān)鍵之一。對(duì)材質(zhì)的要求主要有3點(diǎn)：①密封材料與被密封材料的相容性要好；②材質(zhì)應(yīng)有較好的強(qiáng)度、彈性、耐磨性、耐低溫和耐高溫性，且彈性變形恢復(fù)得要快；③由于密封唇口摩擦產(chǎn)生熱量，因此，材質(zhì)的耐熱性要高于工作溫度。

目前廣泛使用的曲軸油封的材質(zhì)有氟橡膠和聚四氟乙烯。氟橡膠具有極佳的耐潤(rùn)滑油（含有各種極性添加劑）性能，耐高溫可大于250℃，在150℃溫度下經(jīng)100 h老化處理后其物理機(jī)械性能仍可保持90%以上，是高速曲軸油封的首選材料。聚四氟乙烯（PTFE）油封系列產(chǎn)品是近10年我國(guó)參照歐美國(guó)家的產(chǎn)品引進(jìn)、消化、吸收的產(chǎn)品。聚四氟乙烯俗稱“塑料王”具有耐濃酸堿、耐油、耐磨、低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有獨(dú)到的冷流特性，可以對(duì)磨損進(jìn)行自我補(bǔ)償，特別適用于高轉(zhuǎn)速、大功率柴油機(jī)前、后油封的密封。這2種材質(zhì)的油封在我公司均有應(yīng)用，使用效果良好。

（3）與油封安裝有關(guān)的零部件的質(zhì)量的影響

曲軸后端及曲軸皮帶輪的幾何形狀及其表面粗糙度對(duì)曲軸后油封的影響。若表面粗糙度的數(shù)值大于0.3μm，會(huì)使油封的唇口很快磨損，對(duì)密封極為不利，這是造成潤(rùn)滑油泄漏的主要原因之一。曲軸和曲軸皮帶輪的跳動(dòng)，使油封唇口對(duì)軸的表面壓力分布不均勻，也會(huì)造成曲軸或油封產(chǎn)生偏磨，使?jié)櫥托孤?/p>

曲軸后油封蓋油封安裝孔的尺寸及孔對(duì)曲軸的跳動(dòng)對(duì)后油封的密封質(zhì)量會(huì)有影響。

曲軸皮帶輪軸端的幾何尺寸及其表面粗糙度對(duì)前油封的密封質(zhì)量會(huì)有影響。

拆除油封包裝的影響：裝配過程中油封包裝和唇口的襯托被過早地拆除，造成油封唇口吸附灰塵、唇口變形。

2.2.4 方法（裝配）的影響

必須設(shè)計(jì)合理的裝配工具，裝配工具要保證在裝配過程中保持油封的唇口及副唇不被劃傷。專用工具必須帶定位和導(dǎo)向，保證油封骨架在壓裝過程中不變形。

要在油封的唇口涂抹少量的耐高溫鋰基潤(rùn)滑脂，防止新裝發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在初始高速旋轉(zhuǎn)時(shí)無潤(rùn)滑產(chǎn)生干摩擦，密封唇口早期燒蝕，在瞬間高溫情況下橡膠提前老化，出現(xiàn)龜裂，造成油封失效。

2.2.5 環(huán)境（裝配和使用環(huán)境）的影響

（1）曲軸油封裝配小環(huán)境的凈化，對(duì)封油質(zhì)量的可靠性也有一定的影響。曾對(duì)幾例早期失效的曲軸前油封在45倍電子顯微鏡下進(jìn)行切片觀察，發(fā)行在油封的主唇口處嵌有細(xì)微鋁屑（見圖3）。曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主唇口面劃傷，造成油封失效。

圖3 失效的前油封電子顯微鏡下的切片示意圖

（2）使用環(huán)境的影響

使用環(huán)境對(duì)曲軸油封的密封性影響很大。油封在良好的工作環(huán)境下可以獲得最佳的密封效果和最長(zhǎng)的使用壽命。

曲軸的軸向間隙過大，將使軸頸表面與密封唇的接觸區(qū)域往復(fù)變化。一旦軸頸上的精加工表面超過密封唇的接觸區(qū)域，將會(huì)降低密封帶的密封性。曲軸和曲軸皮帶輪軸頸變形，將使軸頸表面與油封密封帶受到損害，從而直接影響密封效果。

外界灰塵進(jìn)入密封唇內(nèi)，或油液中雜質(zhì)過高，在曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，塵土和雜質(zhì)微粒將變成密封唇與軸表面間的“磨料”，加速密封唇口的磨損。

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)油溫過高，會(huì)使?jié)櫥偷恼扯认陆?，使貯油端向空氣端的泄油量加大。油溫升高，潤(rùn)滑油的氧化變質(zhì)過程加快，也使油封的橡膠材料加速老化，彈性減弱，影響密封效果。

曲軸箱內(nèi)油壓過高，貯油端由于背壓升高對(duì)空氣端吸力下降，甚至貯油端壓力高于空氣端壓力，降低或喪失了密封性能。

3 確定油封主要影響因素和解決措施

3.1 故障原因分析與改進(jìn)措施

對(duì)照已分析出的影響因素，通過市場(chǎng)反饋和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程調(diào)查、信息分析、故障件分析、5WHY等對(duì)產(chǎn)生原因進(jìn)行判斷，確定了主要影響因素（見表1）；采取相應(yīng)的有效措施，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證，見表2。

表1 骨架油封故障原因的對(duì)照與判定

表2 最終改進(jìn)措施

3.2 曲軸大端磕碰傷解決的實(shí)際案例

在生產(chǎn)過程中曲軸大端的磕碰傷問題一直未被識(shí)別。根據(jù)油封供方提供的經(jīng)驗(yàn)，有手感缺陷的部位在使用過程中肯定會(huì)漏油。攻關(guān)組成員分別在不同的時(shí)間段在總裝現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，發(fā)現(xiàn)了這類現(xiàn)象，并對(duì)曲軸大端有觸摸手感的缺陷拍了照片，見圖4。

圖4 曲軸后油封安裝位置的磕碰傷

3.2.1 曲軸大端磕碰傷的分析

Why1：磕碰傷是什么時(shí)間產(chǎn)生的？檢查入庫(kù)的曲軸大端沒有磕碰傷，是在公司生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的。

Why2：為什么會(huì)產(chǎn)生磕碰？生產(chǎn)過程中曲軸有幾次起吊的過程，生產(chǎn)線的節(jié)奏快，操作工未能很好地注意起吊的過程，造成與工位器具架磕碰。

Why3：為什么會(huì)產(chǎn)生磕碰傷？曲軸工位器具架為了減小占地面積，設(shè)計(jì)了可以相互疊放的支腳，在起吊時(shí)靠近支腳兩端的曲軸容易磕碰到帶銳邊尖角的支腳邊，造成磕碰傷，見圖5。

圖5 曲軸工位器具架

Why4：如何避免？修改工位器具架容易產(chǎn)生磕碰的支腳。通過深入追蹤，分析出曲軸工位器具設(shè)計(jì)不合理是造成曲軸大端磕碰傷反復(fù)出現(xiàn)的根本原因。

3.2.2 曲軸工位器具架改進(jìn)設(shè)計(jì)

由相關(guān)職能部門對(duì)曲軸工位器具架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。支腳兩端采用圓角設(shè)計(jì)，由攻關(guān)組對(duì)樣架進(jìn)行評(píng)審。改進(jìn)后的樣架如圖6所示。經(jīng)過驗(yàn)證，消除了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的曲軸大端的磕碰傷。

圖6 改進(jìn)后的工位器具架

3.3 改進(jìn)措施的驗(yàn)證效果

隨著油封實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)拆包裝、控制裝配的清潔度、曲軸工位器具架改進(jìn)、曲軸后油封安裝孔改進(jìn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中裝配質(zhì)量的控制、裝配工技能的培訓(xùn)等措施的落實(shí)，市場(chǎng)反饋油封故障率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，基本上能控制在1%以下，達(dá)到了預(yù)期目的。圖7給出了改進(jìn)后市場(chǎng)反饋的油封漏油情況的趨勢(shì)圖。

圖7 改進(jìn)后油封故障率

4 結(jié)論

影響曲軸油封密封性的因素眾多。降低柴油機(jī)曲軸油封故障率是我們運(yùn)用8D工作法的一個(gè)嘗試，由公司各部門人員共同投入，按照8D工作法的要求，運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和質(zhì)量分析的工具，依靠團(tuán)隊(duì)的智慧，分析問題，找出解決問題的有效措施，解決了長(zhǎng)期困惱我們的油封故障率高的質(zhì)量問題。目前油封故障率穩(wěn)定在1%以下。受曲軸油封漏油率降低的啟發(fā)，現(xiàn)公司針對(duì)各類問題，成立不同的8D工作小組來分析問題、解決問題。

Reduction of Failure Rate of Crankshaft Oil Seal with 8D Working Method

Tian Dazhi,Qiu Yangwen
（WeiChai Power Yangzhou Diesel Engine Co.,Ltd.,Yangzhou 225009,China）

8D working method is guided with team operation and based on fact,with which a problem is solved reasonably without person intervention..Every department is involved and works together to look for a creative and permanent solution.Implement of 8D working method needs other quality tools,such as FMEA analysis,fishbone diagram,control plan,test design(DOE)and so on.Reducing failure rate of crankshaft oil seal is a try of 8D working method.It has efficiently solved a quality problem which puzzled us for a long time.

8D working method,crankshaft oil seal,failure rate

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.011

來稿日期：2013-06-25

田大志（1963-），男，工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)裝試技術(shù)和質(zhì)量控制。