車用再制造發(fā)動機(jī)驗收檢驗臺架磨合規(guī)范試驗研究

姜大海，王 虎，安相璧，陳成法，葛紀(jì)桃

(軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津300161)

不同于發(fā)動機(jī)大修，發(fā)動機(jī)再制造是將舊發(fā)動機(jī)按照再制造標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過嚴(yán)格的再制造工藝，使各項性能指標(biāo)達(dá)到或超過新機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的過程［1］。再制造一般分為恢復(fù)型再制造和升級型再制造:恢復(fù)型再制造只對其原有性能進(jìn)行恢復(fù)，再制造后基本達(dá)到原機(jī)水平;升級型再制造是對發(fā)動機(jī)部分或全部性能進(jìn)行升級，升級后總體性能超過原機(jī)。

再制造發(fā)動機(jī)各零部件由于加工水平和設(shè)備精度所限總會留下表面缺陷和幾何形狀誤差，經(jīng)過磨合后才能達(dá)到最佳狀態(tài)。如按照新車使用手冊中規(guī)定的低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速磨合工況進(jìn)行磨合，勢必增加驗收時間和成本。原機(jī)磨合規(guī)范屬于重要的技術(shù)資料，非生產(chǎn)原機(jī)的再制造企業(yè)很難獲取，即使受到原機(jī)生產(chǎn)廠家的技術(shù)支持，由于制造工藝不同，原機(jī)磨合規(guī)范未必適用于再制造發(fā)動機(jī)的磨合;因此，研究適用于再制造發(fā)動機(jī)的快速磨合規(guī)范尤為必要。筆者以經(jīng)過恢復(fù)型再制造的CA6102和EQ6100發(fā)動機(jī)為研究對象，通過發(fā)動機(jī)試驗并結(jié)合相關(guān)資料，總結(jié)出合理的快速磨合規(guī)范。

1 再制造發(fā)動機(jī)新品動力性能

隨著國內(nèi)再制造發(fā)動機(jī)產(chǎn)量的不斷增加，產(chǎn)品質(zhì)量越來越受到人們的重視，其中動力性能是發(fā)動機(jī)驗收檢驗的重要指標(biāo)之一。按照文獻(xiàn)［2］中規(guī)定的試驗方法，筆者對未經(jīng)過磨合的再制造發(fā)動機(jī)進(jìn)行了動力性能測試，結(jié)果如表1所示。在本文中，“比率”為測試值與標(biāo)定指標(biāo)的比值。原機(jī)動力指標(biāo)的合格標(biāo)準(zhǔn)為:測試值不低于標(biāo)定指標(biāo)的95%并且不高于標(biāo)定指標(biāo)的105%。表1試驗數(shù)據(jù)表明:再制造發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的動力性能達(dá)不到原機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，相差較大。筆者分析后認(rèn)為:發(fā)動機(jī)沒有經(jīng)過充分磨合是性能不達(dá)標(biāo)的重要原因之一。

表1 再制造發(fā)動機(jī)新品動力性能試驗結(jié)果

發(fā)動機(jī)在再制造過程中主要采用先進(jìn)的表面工程技術(shù)將因磨損、腐蝕、劃傷而失效的零部件重新制造成具有新品性能的零部件［1］。然而恢復(fù)零部件的原配合尺寸最終還需要經(jīng)過機(jī)械加工，機(jī)加工后的零部件摩擦表面粗糙度較大，遠(yuǎn)達(dá)不到運(yùn)行時的配合要求，僅僅通過出廠前的冷磨熱試及短時間初期磨合，無法使配合表面的粗糙度達(dá)到最佳，只有通過有效的磨合，才能保證性能測試結(jié)果準(zhǔn)確、有效。

2 再制造發(fā)動機(jī)磨損規(guī)律

發(fā)動機(jī)內(nèi)部摩擦表面具有一定的磨損規(guī)律，磨合規(guī)范的制定必須以遵循磨損規(guī)律為前提。從整體上講，發(fā)動機(jī)內(nèi)部零件磨損失效的過程可以分為3個階段，如圖1所示。圖1中:t1為磨合磨損階段，其磨損率隨時間增加而降低;t2為穩(wěn)定磨損階段，其磨損率基本保持不變，屬于正常工作階段的磨損;t3為破壞性磨損階段，其磨損率急劇增大，工作條件迅速惡化直至完全失效。其中，磨損率為單位時間內(nèi)的磨損量。如果把t1階段再進(jìn)一步細(xì)分，又可以分為3個階段，如圖2所示。圖2中Ⅰ區(qū)為摩擦副精加工階段完成的磨合;Ⅱ區(qū)為出廠前在廠內(nèi)完成的磨合即臺架磨合階段;Ⅲ區(qū)為出廠后用戶完成的走合階段。圖2反映了發(fā)動機(jī)內(nèi)部初期的磨損規(guī)律:Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)階段新摩擦副表面具有一定的粗糙度，真實接觸面積較小，磨損速度較快，磨粒較大;隨著磨合過程進(jìn)行到Ⅲ區(qū)階段，表面粗糙度值逐漸下降，內(nèi)部零件接觸面積變大，磨損速度慢慢降低，磨粒細(xì)化，承載能力提高［3］。

圖1 磨損曲線

圖2 初期磨合過程

再制造發(fā)動機(jī)遵循圖1、2所示的摩擦磨損規(guī)律，磨合過程可以改善內(nèi)部零部件配合關(guān)系，使其能承受額定載荷，達(dá)到最佳的動力性和經(jīng)濟(jì)性［4］。表面工程技術(shù)是發(fā)動機(jī)內(nèi)部零部件配合尺寸恢復(fù)的主要工藝技術(shù)，而表面工程技術(shù)修復(fù)后的表面具有高抗磨、高抗蝕和低摩擦的特性［5］，這說明相同條件下再制造發(fā)動機(jī)比原型新機(jī)磨損要慢。采用模擬道路條件下的中小負(fù)荷循環(huán)磨合，既有助于研究再制造發(fā)動機(jī)的最佳動力性能，也利于研究其磨合期的磨損規(guī)律，并為最終制定快速高效的磨合規(guī)范打下理論基礎(chǔ)。

3 再制造發(fā)動機(jī)小負(fù)荷磨合試驗

3.1 試驗條件

試驗所使用的試驗設(shè)備為啟測EMC900發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)，測功器型號為DW350。測功器技術(shù)參數(shù)如下:最大測試扭矩為1 980 N·m，最大測試轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，最大測試功率為350 kW。試驗及磨合過程中，油溫及水溫應(yīng)控制在原機(jī)所要求的正常工作范圍內(nèi)，試驗過程始終都不得對發(fā)動機(jī)和測試設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。試驗所使用的CA6102與EQ6100再制造發(fā)動機(jī)均為已入庫的待驗收產(chǎn)品，入庫前僅經(jīng)過簡單的熱磨合。

3.2 試驗方法

為模擬新車在道路條件下的小負(fù)荷磨合狀況，特制定了如圖3所示的磨合方案。與道路條件不同的是該磨合過程更具規(guī)律性。圖3中:初始磨合轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，每隔6 min增加400 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2 700 r/min;初始負(fù)荷率為10%，轉(zhuǎn)速每完成一個循環(huán)，負(fù)荷率增加10%，負(fù)荷率最大時僅達(dá)到各轉(zhuǎn)速下的50%。一個磨合循環(huán)需要125 min，根據(jù)該型號發(fā)動機(jī)匹配車型的新車走合要求［6］，換算成臺架運(yùn)行時間，需要16 h以上，因此整個磨合過程擬進(jìn)行8個磨合循環(huán)。

圖3 再制造發(fā)動機(jī)小負(fù)荷循環(huán)磨合規(guī)范

表1所示的4臺發(fā)動機(jī)編為第1組，然后分別隨機(jī)抽取CA6102與EQ6100各2臺并編為第2組，2組發(fā)動機(jī)都按照如圖3所示的磨合方案進(jìn)行磨合。第1組按照每隔2個磨合循環(huán)(250 min)測試1次動力性能的方式進(jìn)行，第2組則在磨合8個循環(huán)后只進(jìn)行一次動力性能測試。通過分組對比試驗，一方面考察磨合方案的合理性，另一方面研究短時間的動力性能測試對發(fā)動機(jī)造成的影響。另外，試驗還將驗證再制造發(fā)動機(jī)能否達(dá)到原機(jī)標(biāo)定指標(biāo)。

3.3 試驗結(jié)果及分析

第1組發(fā)動機(jī)動力性能試驗結(jié)果的變化情況如圖4、5所示。從圖中可以看出:發(fā)動機(jī)的動力性能隨磨合時間的變化逐漸變好，而且最初的2個磨合循環(huán)性能變化更為顯著。經(jīng)過6個磨合循環(huán)后，發(fā)動機(jī)動力性能指標(biāo)基本上不再變化。磨合過程結(jié)束后，第1組與第2組再制造發(fā)動機(jī)的動力性能試驗結(jié)果分別如表2、3所示，可見所有數(shù)據(jù)的比率均在95%～105%之間。

圖4 再制造發(fā)動機(jī)最大功率變化曲線

圖5 再制造發(fā)動機(jī)最大扭矩變化曲線

表2 第1組再制造發(fā)動機(jī)動力性能最終測試結(jié)果

表3 第2組再制造發(fā)動機(jī)磨合后的動力性能測試結(jié)果

2組發(fā)動機(jī)對比試驗的結(jié)果表明:1)再制造發(fā)動機(jī)遵循圖3所示初期磨損規(guī)律，隨著磨合的進(jìn)行，內(nèi)部的磨損量逐漸降低并趨于穩(wěn)定，各摩擦表面的粗糙度逐漸接近最佳;2)短時間的動力性能測試對最終磨合效果的影響并不明顯，但也不排除試驗中所使用的發(fā)動機(jī)數(shù)量太少或者試驗設(shè)備的精度不夠所致;3)所有再制造發(fā)動機(jī)動力性能的比率均在95%～105%之間，完全能夠達(dá)到原機(jī)指標(biāo)，也充分驗證了文獻(xiàn)［1］對再制造發(fā)動機(jī)的定義。

4 快速磨合規(guī)范

圖3所示的磨合方案雖然磨合效果較好，而且也不會破壞發(fā)動機(jī)內(nèi)部的摩擦副表面，但是磨合時間過長，直接增加了檢驗成本和檢驗時間。因此，制定合理的驗收檢驗快速磨合規(guī)范尤為必要。

4.1 磨合工藝的影響因素

影響磨合工藝的因素有許多，國外在這方面做了大量的研究。歸納起來，影響磨合的因素主要有以下幾個方面［3－5，7－9］:1)機(jī)械加工表面的粗糙度;2)零部件的材質(zhì);3)零件的形貌特征;4)形位公差;5)裝配清潔度;6)潤滑油類型;7)磨合規(guī)范。同時，磨合規(guī)范因素又受其他因素的影響，例如，一些國外企業(yè)發(fā)動機(jī)出廠磨合時間比國內(nèi)要少一半以上，甚至像BMW等一些知名公司生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)不經(jīng)磨合直接出廠，其中一個重要的原因就是其機(jī)械加工質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了極高的水平。此外，磨合規(guī)范還受零部件的材質(zhì)、裝配清潔度、潤滑油類型等因素的影響。因此，必須綜合考慮各種因素并在試驗的基礎(chǔ)上制定合理的驗收檢驗?zāi)ズ弦?guī)范。

4.2 規(guī)范的制定

由于磨合初期摩擦表面粗糙度值較大，即使在轉(zhuǎn)速和負(fù)荷較小的情況下，磨損量依然很大;因此，規(guī)范應(yīng)按照轉(zhuǎn)速與負(fù)荷逐漸遞增的方式進(jìn)行。研究表明:在轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件不變的情況下，磨損速度逐漸減小。圖6為某發(fā)動機(jī)的磨合曲線［10］，從中可以看出:在各個磨合階段，磨合速度最快的一段時間出現(xiàn)在調(diào)整轉(zhuǎn)速以后，即OA、BC、DE和FG段。那么此磨合過程最合理的磨合時間應(yīng)為tOA+tBC+tDE+tFG。為了進(jìn)行再制造發(fā)動機(jī)產(chǎn)品性能檢驗，根據(jù)再制造發(fā)動機(jī)工藝情況，參考相關(guān)的文獻(xiàn)資料［3，7］，通過試驗，筆者制定了臺架快速磨合規(guī)范，如表3所示。

圖6 發(fā)動機(jī)磨合曲線

表3 CA6102、EQ6100再制造發(fā)動機(jī)臺架快速磨合規(guī)范

4.3 快速磨合規(guī)范的應(yīng)用結(jié)果

再次隨機(jī)抽取CA6102與EQ6100各2臺并按照表3所示的磨合規(guī)范進(jìn)行磨合，磨合過程結(jié)束后，動力性能測試結(jié)果如表4所示。從測試結(jié)果上看，再制造發(fā)動機(jī)的動力性能達(dá)標(biāo)，說明新的磨合規(guī)范取得了較好的效果。優(yōu)化后的磨合規(guī)范僅4 h，比原磨合規(guī)范縮短了13 h左右，提高了磨合效率，而且保證了磨合效果。但優(yōu)化后的規(guī)范磨合時間仍然較長，磨合規(guī)范還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。除了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷率與磨合時間的優(yōu)化組合，還可以通過添加快速磨合油的方法進(jìn)一步的提高磨合效率，縮短磨合時間［11］。

表4 快速磨合后動力性能測試結(jié)果

5 結(jié)論

1)目前國內(nèi)的發(fā)動機(jī)再制造工藝還未達(dá)到極高的水平，再制造發(fā)動機(jī)新品的各摩擦副表面并未達(dá)到理想狀態(tài)，不經(jīng)磨合動力性能達(dá)不到標(biāo)定指標(biāo)，而且偏差較大。

2)再制造發(fā)動機(jī)初期磨損規(guī)律與一般發(fā)動機(jī)新品相同，磨損速率由快轉(zhuǎn)慢并逐漸趨于平衡，各項性能指標(biāo)逐漸提高。

3)優(yōu)化后的規(guī)范磨合時間僅4 h，比中、小負(fù)荷磨合規(guī)范的磨合時間節(jié)省了75%左右，大大提高了磨合效率，并經(jīng)應(yīng)用后證明有較好的磨合效果，對其他機(jī)型有一定的參考價值。

4)優(yōu)化后的規(guī)范磨合時間仍然較長，需進(jìn)一步通過改善制造工藝、磨合工藝等方式提高磨合效率。

5)動力測試結(jié)果大都達(dá)不到100%的標(biāo)定指標(biāo)，可能與測試方法不當(dāng)有關(guān)，也可能與測試發(fā)動機(jī)的數(shù)量較少有關(guān)。

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