某柴油機(jī)第一檔主軸瓦失效分析及改進(jìn)

張輝，葉青陽（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

某柴油機(jī)第一檔主軸瓦失效分析及改進(jìn)

張輝，葉青陽
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

某柴油機(jī)在開發(fā)階段發(fā)生第一檔主軸瓦失效，從設(shè)計、材料、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)等幾個方面進(jìn)行了計算、分析，改進(jìn)了軸瓦的合金材料，通過后續(xù)的耐久試驗，驗證了新方案的可靠性，使之能用于批量生產(chǎn)。

柴油機(jī)主軸瓦失效可靠性

1 前言

主軸瓦是柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，受到?jīng)_擊性的燃?xì)獗l(fā)壓力及活塞連桿組的慣性力的交變載荷作用，承受曲軸的全部重量以及由于曲軸質(zhì)量不平衡引起的離心力，確定曲軸在柴油機(jī)中的正確徑向位置。由于每個軸承都要承受較高的載荷，而且軸頸轉(zhuǎn)速很高，因此柴油機(jī)軸承都采用液體摩擦為理論基礎(chǔ)的軸瓦式滑動軸承，借助于有一定壓力的潤滑油在軸頸與軸瓦之間形成油膜，建立液體摩擦，使柴油機(jī)能安全穩(wěn)定地運(yùn)行。如果主軸瓦失效，很容易造成發(fā)動機(jī)整機(jī)被敲壞，直接影響到車輛的駕駛安全性。本文針對本公司某系列柴油機(jī)上第一檔主軸瓦失效的這一故障進(jìn)行分析，找到根本原因和解決方法。

2 故障現(xiàn)象

故障柴油機(jī)是在本公司某系列柴油機(jī)基本型上通過擴(kuò)缸、擴(kuò)行程而來的新發(fā)動機(jī)，排量增加12%，功率增加5%，發(fā)動機(jī)其余基本參數(shù)不變。新柴油機(jī)在開發(fā)初期（樣試階段）連續(xù)發(fā)生第一檔主軸瓦合金層疲勞剝落失效的問題，這在過去基本型柴油機(jī)開發(fā)過程中是沒有出現(xiàn)過的。在新柴油機(jī)的整個開發(fā)過程中，第一檔主軸瓦失效一共發(fā)生了5起，其他各檔主軸瓦均正常。試驗工況包括了冷熱沖擊循環(huán)、定型循環(huán)以及高速循環(huán)，幾乎每臺發(fā)動機(jī)第一檔主軸瓦都發(fā)生失效，程度不一樣，失效模式基本相同。

將所有試驗后的失效軸瓦匯總并投影到平面圖上，見圖1?？梢园l(fā)現(xiàn)，失效位置（圖中陰影位置）基本都是在同一位置，正好處于主軸瓦的主承載區(qū)位置并且靠近發(fā)動機(jī)后端。

3 原因分析

從軸瓦失效的模式以及位置可以看出，主軸瓦發(fā)生了合金層疲勞剝落，而且位置基本相同，存在一定的規(guī)律性。單從軸瓦方面來分析，造成合金層疲勞有多種因素：（1）軸瓦合金層材料承載能力不夠；（2）零件尺寸不合格：軸瓦壁厚不均勻，機(jī)體座孔圓度不好，曲軸主軸頸圓度不好等；（3）裝配過程以及零部件的清潔度不好。

圖1 耐久試驗后第一檔主軸瓦失效位置

首先，對軸瓦設(shè)計的承載能力進(jìn)行校核，由于該系列發(fā)動機(jī)是隧道式機(jī)體，導(dǎo)致這款發(fā)動機(jī)主軸承座孔有3種規(guī)格，其中第一檔直徑最小，中間三檔直徑次之，第五檔直徑最大。按現(xiàn)有發(fā)動機(jī)參數(shù)進(jìn)行計算，第一檔主軸瓦在原發(fā)動機(jī)上的理論載荷為42.1MPa，新發(fā)動機(jī)上的理論載荷為43.7MPa。目前國產(chǎn)化后所用的軸瓦材料和國外原圖上所用軸瓦材料的對比見表1。

表1 第一檔軸瓦材料對比

通過理論計算值可以看到，新發(fā)動機(jī)由于缸徑加大，在相同爆壓的情況下主軸瓦的比壓略有增加，但差別不大，而目前選用的材料雖然與進(jìn)口原機(jī)相比承載能力相差較多。但根據(jù)發(fā)動機(jī)目前的工況來看，即使主軸瓦承載能力只有50MPa，也完全可以滿足設(shè)計要求。因此新發(fā)動機(jī)開發(fā)時直接借用了原發(fā)動機(jī)的軸瓦，未做任何改動。

其次，對會造成軸瓦失效的相關(guān)零部件（包括機(jī)體座孔，曲軸軸頸，軸瓦壁厚）的測量結(jié)果進(jìn)行檢查。測量結(jié)果表明，機(jī)體和曲軸的相關(guān)尺寸均符合圖紙要求，沒有超差；供應(yīng)商測量的軸瓦壁厚以及半徑高也均滿足圖紙要求。國產(chǎn)化后的圖紙也與國外原圖進(jìn)行了比對，尺寸公差和技術(shù)要求是完全一樣的，因此可以判定零件尺寸沒有問題。

清潔度問題也是引起發(fā)動機(jī)軸承失效最常見的原因之一。從耐久試驗后發(fā)動機(jī)其他檔主軸瓦以及連桿軸瓦的工作表面看，磨損都很正常，沒有因清潔度問題造成的拉絲或雜質(zhì)嵌入的現(xiàn)象，并且故障軸瓦背面也無其他雜質(zhì)嵌入的痕跡，因此可以排除因清潔度不佳而造成的軸瓦疲勞失效。

由于第一檔軸瓦在原發(fā)動機(jī)上從未出現(xiàn)過此類失效，順利完成了300 h、500 h以及900 h等一系列耐久試驗考核。將新發(fā)動機(jī)與原發(fā)動機(jī)在輸出參數(shù)上進(jìn)行對比，見表2。

表2 新發(fā)動機(jī)與原發(fā)動機(jī)輸出參數(shù)對比

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，新發(fā)動機(jī)相比于原發(fā)動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速有所下降、飛輪慣量有所增加。而在相同設(shè)計條件下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，最小油膜間隙也會隨之變?。煌瑫r飛輪慣量增大，會導(dǎo)致軸系彎矩增大，影響運(yùn)轉(zhuǎn)時的軸承間隙變大。

此外，新發(fā)動機(jī)和原發(fā)動機(jī)的前端輪系發(fā)生了很大的變化，見圖2和圖3。原機(jī)為橫置發(fā)動機(jī)，整車帶有電子風(fēng)扇，因此發(fā)動機(jī)前端不需要安裝風(fēng)扇，輪系相對簡單，整個輪系集中在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè)，曲軸前端受力向右，最大約1 700N。而新發(fā)動機(jī)為縱置發(fā)動機(jī)，前端需要安裝風(fēng)扇，輪系分布覆蓋了整個發(fā)動機(jī)前端，曲軸前端受力向上，最大約2 600 N，比原機(jī)高出50%，而且方向朝上容易造成如圖4和圖5所示的情況，使主軸單側(cè)受力，而主軸瓦失效的位置也正好都在該位置。

圖2 原發(fā)動機(jī)附件輪系

圖4 軸徑受力彎曲導(dǎo)致偏載

圖5 主軸瓦失效案例

對整個曲軸軸系進(jìn)行CAE計算，第一檔軸瓦的受力情況如圖6和圖7所示，危險位置正是新發(fā)動機(jī)軸瓦的失效位置。

圖6 最大扭矩工況第一檔軸瓦受力情況

4 改進(jìn)措施及效果

根據(jù)以上分析，第一檔主軸瓦在該失效處的載荷其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計算的平均載荷。由于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上的限制以及配套各管路接口的需求，無法再對發(fā)動機(jī)的前端附件輪系進(jìn)行調(diào)整，所以也就無法改變目前第一檔主軸瓦的承載位置，因此只有對軸瓦材料進(jìn)行升級，來加強(qiáng)主軸瓦自身的承載能力，以滿足發(fā)動機(jī)苛刻的使用要求。將國內(nèi)常用的一些軸瓦材料進(jìn)行對比，最終選擇了類似于進(jìn)口軸瓦材料的銅基合金+電鍍材料，其推薦承載能力能夠達(dá)到78MPa。

圖7 額定工況第一檔軸瓦受力情況

對采用新材料的主軸瓦重新進(jìn)行了耐久考核，陸續(xù)進(jìn)行了300 h熱沖擊、500 h高速和900 h定型耐久試驗，均未出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象。而耐久試驗后軸瓦的磨損痕跡也印證了之前的判斷和分析結(jié)果，在主軸瓦下瓦內(nèi)側(cè)以及上瓦外側(cè)位置磨損痕跡非常明顯，如圖8所示。

圖8 采用新材料軸瓦的耐久情況

5 結(jié)束語

本文著重分析了造成第一檔主軸瓦疲勞失效的原因。由于基本型發(fā)動機(jī)和新開發(fā)發(fā)動機(jī)在結(jié)構(gòu)上的差異性，使得發(fā)動機(jī)曲軸上前端附件皮帶力和飛輪轉(zhuǎn)動慣量受到影響，造成曲軸工作狀態(tài)的變形量變大，最終導(dǎo)致第一檔主軸瓦因局部載荷過高，超過其軸承材料的承載能力而疲勞失效。經(jīng)過分析，選擇了更好的軸承材料以提高軸瓦的承載能力，改進(jìn)后的主軸瓦順利通過發(fā)動機(jī)臺架可靠性考核。

通過此次第一檔主軸瓦的失效分析，軸瓦故障分析不但要從軸瓦自身設(shè)計上考慮，更要考慮到發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)對整個曲軸系統(tǒng)的影響，任何一個細(xì)微的變化都會導(dǎo)致曲軸的工作狀態(tài)發(fā)生變化而最終影響到軸瓦的使用。該問題的解決過程和思路可以為今后其他發(fā)動機(jī)主軸瓦可能會出現(xiàn)的失效提供了一種可具借鑒的寶貴經(jīng)驗。

Failure Analysisand Improvementof the FirstMain Bearing ofa DieselEngine

Zhang Hui,Ye Qingyang
（ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.Shanghai200438,China）

For thequality problemssuch as firstmain bearing failureofa certain type dieselengine,the calculation and analysis are made from design,material and engine structure,finally the bearing alloy material are improved,the following engine endurance tests verify the reliability of the new design,which can beused formassproduction.

dieselengine,main bearing,failure,reliability

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.009

來稿日期：2017-04-12

張輝（1980-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機(jī)活塞連桿組件的設(shè)計開發(fā)。