某柴油機油水混合故障分析及改進

錢小玲

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某柴油機油水混合故障分析及改進

錢小玲

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某柴油機在可靠性考核試驗中多次出現(xiàn)油水混合的現(xiàn)象，拆檢發(fā)現(xiàn)系機油冷卻器芯子破裂引起。為降低柴油機實際使用時油水混合的故障率，減少因此故障造起的嚴重后果，提出了相應的解決方案，并通過了驗證。

機油冷卻器 油水混合 分析 改進

1 前言

機油冷卻器用來保證發(fā)動機中的機油溫度處于一個理想的工作溫度范圍，對發(fā)動機的各個運動件進行潤滑和冷卻。其中板翅式機油冷卻器（簡稱油冷器）是一種高效的緊湊式換熱器，傳熱系數(shù)較高，散熱效果好，能承受較高的油壓，特別適合于布置在柴油機機體側壁空腔內，從而可以減少外接管。目前，在我國柴油機上得到越來越多的應用[1,2]。

然而，柴油機配套應用時對冷卻器的體積和散熱量有著嚴格的要求，冷卻器內部芯片承受壓力較大，加上冷卻器直接安裝在發(fā)動機機體上，振動大，工作條件惡劣。一旦冷卻器失效將導致機油與冷卻水混合，后果非常嚴重；輕者機油變質，重者造成發(fā)動機燒瓦、報軸，甚至拉缸乃至導致發(fā)動機報廢。

本文針對某新品柴油機在耐久考核過程曾多次出現(xiàn)的油水混合現(xiàn)象，進行故障分析并采取相應的改進措施，杜絕此嚴重后果的發(fā)生。

2 實例分析

2.1 故障描述

在某柴油機進行的1 000 h全速全負荷考核試驗中，在第287小時因故調換氣缸蓋墊片時發(fā)現(xiàn)冷卻水中有油。更換新冷卻器后，柴油機運行至821小時時，重復發(fā)生此故障。

2.2 原因分析

將2件故障件放入水中，對油道加壓，充2.0 MPa壓力的空氣進行檢測，機油冷卻器芯子第一層芯片與底板之間有氣泡，見圖1。

將故障件沿冷卻器底板與第一層芯片之間進行線切割，發(fā)現(xiàn)芯板上中間凸臺四周有明顯的泄漏痕跡，如圖2所示。與其他凸臺相比，該凸臺銅焊料相對不飽滿。將凸臺放大查看，如圖3所示位置處有裂紋。

裂紋產生的原因有多種可能性：一是原材料本身有缺陷；二是零件（冷卻器底板、芯片）裝配焊接強度質量不合格；三是零件（冷卻器底板、芯片）焊接強度設計不滿足發(fā)動機負荷要求。

來稿日期：2012-10-31

圖1 冷卻器泄漏照片

圖2 故障件解剖圖

圖3 凸臺裂紋（放大）照片

首先對出現(xiàn)故障件的該批次原材料查看所有檢驗記錄，包括尺寸檢驗、材質檢驗報告等，均未發(fā)現(xiàn)任何問題。在生產現(xiàn)場隨機抽查芯片上的凸臺尺寸，包括材料厚度、圓角大小、凸臺位置公差等全部合格，因此排除原材料缺陷可能。

對比冷卻器底板上不同凸臺的銅焊料（見圖2），泄漏的凸臺位于芯片最中間位置，其上的銅焊料相對不飽滿。如圖4所示，A部位的底板和芯片之間通過隔圈連接，中間B部位的底板與芯片之間通過凸臺連接。底板和凸臺間的焊縫在焊接后容易出現(xiàn)焊縫不飽滿現(xiàn)象，并且在焊縫出現(xiàn)不飽滿后不容易被識別出。可靠性考核試驗中出現(xiàn)的連續(xù)2次泄漏事件中，冷卻器就是同一個批次的2件產品。

圖4 冷卻器底板芯片示意圖

在進行發(fā)動機臺架試驗時，由于發(fā)動機自身振動、冷卻器芯片內部受到高溫高壓的機油沖擊、冷卻器外部受到冷卻水的沖擊等原因，冷卻器一直處于受力狀態(tài)中。如圖4所示，A部位的連接強度較強，而中間B部位連接強度較弱，尤其是正中間的凸臺最容易出現(xiàn)因其強度不足發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，從而導致油水混合。因此，針對出現(xiàn)的故障，應當重新設計冷卻器底板與芯板之間的連接墊塊。

2.3 改進措施

針對圖4所示的A、B部位連接強度強弱不同的情況，底板與第一層芯片的中間部位增加一長條形的墊塊進行焊接，提高該部位的強度，加強產品抗扭振能力，如圖5所示。

圖5 冷卻器改進示意圖

2.4 效果驗證

冷卻器的底板與芯片之間增加墊塊可以提高產品的強度，但也增加了冷卻器的水阻，進而影響冷卻器的散熱能力。因此需進行改進前后2種方案的傳熱性能試驗對比，以評估改進方案的有效性.圖6為2種方案的傳熱性能曲線對比圖。由圖中可以看出，新方案的換算放熱量略有下降，約0.7%，這是可以接受的。

圖6 機油冷卻器傳熱性能曲線

根據(jù)JB/T 10408－2004《內燃機換熱器可靠性試驗方法》的要求，對新方案冷卻器進行了爆破測試。試驗結果表明，對冷卻器油腔施加5.5 MPa靜壓，并保持壓力1 min的條件下，冷卻器無變形無泄漏。隨后繼續(xù)增大壓力，壓力15 MPa時試件底部開始鼓脹變形，但并沒有出現(xiàn)底板與芯片之間的泄露現(xiàn)象，見圖7。在隨后進行的300 h熱沖擊試驗和1 000 h全速全負荷試驗中，改進后的冷卻器表現(xiàn)良好，沒有再次發(fā)生油水混合現(xiàn)象，發(fā)動機的水溫、油溫、油壓均正常。

3 結束語

本文著重分析的是一起因板翅式機油冷卻器泄漏造成的油水混合故障。冷卻器底板、芯片焊接強度不夠。長期受發(fā)動機振動，芯片受扭振，冷卻器芯片凸臺產生裂紋，造起柴油機發(fā)生油水混合現(xiàn)象。經分析，增加芯片與底板之間的墊塊，提高了底板與芯片的連接強度，改進后的冷卻器順利通過發(fā)動機臺架可靠性驗證。

圖7 改進后的冷卻器爆壓試驗結果

此問題的解決，為以后其他機型可能出現(xiàn)的油水混合故障提供了一種可具借鑒的寶貴經驗。

1 覃峰，陳江平．板翅式機油冷卻器的耐壓強度分析[J]．上海交通大學學報，2006（2）．

2 余金秋，張文峰．板翅式機油冷卻器在發(fā)動機中的應用與設計[J]．柴油機設計與制造，2006（1）．

Analysis of and Solution to Oil and Water Mixed Issue in Some Diesel Engine

Qian Xiaoling
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

Oil-water mixed phenomenon was found in some diesel engine twice in the durability assessment.It was because of the crack of the oil cooler core.In order to reduce the rate of such failure in the engine use,and avoid serious consequences caused by such failure,we take corresponding solutions,and verified them.

oil cooler,oil and water mixed,analysis,improvement

錢小玲（1980-），女，工程師，主要研究方向為柴油機冷卻系統(tǒng)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.009