發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸問題分析與研究

潘月成，陸榮榮，倪成鑫，趙文仲，豆 剛

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

柴油機(jī)拉缸是一種常見的惡性故障，輕者出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、漏氣量增大、機(jī)油消耗增加、異響等等現(xiàn)象；重者甚至出現(xiàn)活塞破裂、擊穿缸體等重大事故。因此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的拉缸問題的分析與研究是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)重要課題。

本文詳細(xì)闡述了拉缸故障產(chǎn)生的機(jī)理、原因以及預(yù)防拉缸產(chǎn)生的措施，并以某四缸柴油機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其拉缸故障進(jìn)行了分析研究。

1 拉缸問題分析與研究

拉缸實(shí)質(zhì)上就是嚴(yán)重的粘著磨損。當(dāng)缸孔和活塞環(huán)或缸孔與活塞之間油膜太薄或沒有形成油膜 時(shí)，摩擦副兩滑動(dòng)表面易發(fā)生直接的金屬接觸，在高壓和快速滑動(dòng)作用下，產(chǎn)生非常高的摩擦熱量，以致兩者接觸處發(fā)生顯微熔接，然后又被拉扯開，出現(xiàn)一個(gè)滑動(dòng)面上的材料轉(zhuǎn)移粘附在另一個(gè)滑動(dòng)面上或磨屑脫落的現(xiàn)象。

拉缸主要是由于油膜過薄導(dǎo)致金屬相接觸并在一定負(fù)荷作用下而發(fā)生的。油膜過薄的原因有兩方面：一是供油狀況不良，難以形成足夠的油膜厚度；二是竄氣或局部壓力過大，破壞了正常的油膜。因此，影響拉缸的主要因素有如下幾方面：

（1）磨合的質(zhì)量。拉缸經(jīng)常發(fā)生在磨合期，說(shuō)明磨合質(zhì)量對(duì)拉缸影響很大。確保磨合質(zhì)量要從以下幾方面入手：選好潤(rùn)滑油；選好磨合時(shí)間和負(fù)荷的分配情況。

（2）潤(rùn)滑油的供給?；钊共坷椎闹苯釉蚴菙嘤汀嘤偷脑蛑皇腔钊h(huán)磨合不良造成的漏氣。另一原因是活塞裙部本身缺油。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素包括如下幾個(gè)方面。首先，整機(jī)布局及零部件結(jié)構(gòu)是否合理。例如氣缸的剛度，特別是動(dòng)態(tài)剛度是否足夠其次是摩擦副材料表面性質(zhì)及其匹配情況如何。這一點(diǎn)對(duì)于氣缸套與活塞組之間的粘著磨損影響加龐大。

（4）運(yùn)行工況對(duì)拉缸的影響。對(duì)于拉缸來(lái)說(shuō)，切忌工況劇烈變化。當(dāng)柴油機(jī)處于低速或空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變到帶負(fù)荷工作，若過于急促，易引起拉缸。

2 拉缸實(shí)例分析

某柴油機(jī)在市場(chǎng)上發(fā)生拉缸故障，經(jīng)過對(duì)故障件的整理與調(diào)查，在故障機(jī)拆解及相關(guān)故障數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)，所有故障機(jī)油底殼機(jī)油量均位于機(jī)油標(biāo)尺下線位置甚至低于下線；進(jìn)排氣道有大量積碳，存在燒機(jī)油現(xiàn)象；活塞的失效模式表現(xiàn)為裙部拉傷或頭部、裙部均拉傷，且多數(shù)活塞拉傷位置為裙部長(zhǎng)短軸之間45°方向（如圖1所示）。

表1 缸孔珩磨網(wǎng)紋數(shù)據(jù)

根據(jù)拉缸故障產(chǎn)生的機(jī)理、故障現(xiàn)象及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并針對(duì)活塞裙部45°方向拉傷的故障現(xiàn)象進(jìn)行原因分析后認(rèn)為活塞裙部45°方向拉傷是典型的拉缸現(xiàn)象，主要原因可能是：

（1）油底殼機(jī)油量不足導(dǎo)致主油道壓力降低，活塞冷卻噴嘴流量降低而影響活塞與缸孔壁之間的潤(rùn)滑，進(jìn)而導(dǎo)致拉缸。

（2）活塞環(huán)刮油能力過強(qiáng)造成活塞與缸孔壁之間的潤(rùn)滑不良。

（3）缸孔珩磨質(zhì)量不合格導(dǎo)致活塞與缸孔壁潤(rùn)滑不良。

（4）活塞橢圓度不合理。

在拆機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)故障機(jī)油底殼機(jī)油量位于機(jī)油標(biāo)尺下線位置，可能會(huì)導(dǎo)致在個(gè)別工況下發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵吸空，進(jìn)而導(dǎo)致主油道壓力降低，活塞冷卻噴嘴流量降低，活塞與缸孔壁潤(rùn)滑不良。經(jīng)過分析，車輛在上行坡度為45%時(shí)所需油底殼內(nèi)機(jī)油量最多，為2.9L。而當(dāng)油底殼機(jī)油量位于標(biāo)尺尖部時(shí)，油底殼內(nèi)機(jī)油量為3.3L，即車輛在上行45%的坡度時(shí)，如果油底殼內(nèi)機(jī)油位于標(biāo)尺下限位置，那么機(jī)油泵就不會(huì)吸空，主油道壓力也不會(huì)降低。所以機(jī)油量少并不能導(dǎo)致活塞與缸孔壁潤(rùn)滑不良，不是該柴油機(jī)拉缸的原因。

如果活塞油環(huán)刮油能力過強(qiáng)，將會(huì)導(dǎo)致缸孔壁上潤(rùn)滑油量過少，進(jìn)而導(dǎo)致缸孔壁與活塞潤(rùn)滑不良。而油環(huán)的面壓值是量化油環(huán)刮油能力的參數(shù)，油環(huán)面壓的設(shè)計(jì)主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的爆壓、機(jī)油耗及摩擦損失等參數(shù)，通常設(shè)計(jì)值為1.5～2.0MPa，而該柴油機(jī)活塞油環(huán)的面壓設(shè)計(jì)值為1.88MPa，與其它相似機(jī)型對(duì)比可以看出油環(huán)面壓處于合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。所以活塞環(huán)刮油能力過強(qiáng)不是該柴油機(jī)拉缸的原因。

如果缸孔珩磨質(zhì)量不合格，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)紋儲(chǔ)油能力下降，進(jìn)而影響活塞與缸孔壁之間的潤(rùn)滑。表1是近期缸孔珩磨網(wǎng)紋參數(shù)數(shù)據(jù)，由表1可以看出缸孔珩磨網(wǎng)紋參數(shù)合格。取樣時(shí)珩磨頭已經(jīng)加工一千余臺(tái)，目前生產(chǎn)線上珩磨頭更換周期為3000臺(tái)/次，為檢驗(yàn)缸孔珩磨質(zhì)量的穩(wěn)定性，后期將繼續(xù)調(diào)查在加工2500～3000臺(tái)缸體時(shí)缸孔的珩磨質(zhì)量。

表1 缸孔珩磨網(wǎng)紋數(shù)據(jù)

活塞的裙部的橢圓度一般在0.30～0.65mm，這樣活塞在受熱時(shí)，變成圓形，與氣缸周圍間隙均勻。如果橢圓度設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致活塞裙部受力膨脹，其與缸孔的配合間隙降低，破壞潤(rùn)滑油膜而導(dǎo)致拉缸。圖3為活塞裙部的橫向變形圖。該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部的橢圓度為0.30mm，活塞裙部與活塞銷軸方向成45°處收縮量為0.075mm，此數(shù)值與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值（0.1mm）相比偏小，容易造成活塞裙部45°方向的配缸間隙小，造成此處拉缸。

圖2 活塞裙部變形示意圖

3 拉缸故障解決方法

依據(jù)以上分析，將活塞裙部橢圓度由0.3mm改為0.4 mm，修改后的活塞裙部45°方向收縮量由0.075mm增大到0.1mm，如表2所示，半徑相差0.025mm，直徑方向相差0.05mm，可以有效降低活塞裙部45°方向拉缸的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同橢圓度下的裙部收縮量

針對(duì)兩種活塞方案進(jìn)行FEA對(duì)比分析，通過分析可知，橢圓度增大的活塞裙部主推力側(cè)受力受力較均勻，未出現(xiàn)局部受力過大情況，而原方案活塞的裙部上方存在受力集中的現(xiàn)象，說(shuō)明新方案的活塞裙部受力分布更加均勻。

圖3 活塞裙部受力云圖

原方案的活塞裙部受力峰值為23MPa，而裙部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的新方案活塞裙部受力峰值為10MPa，大大降低的活塞裙部的載荷，進(jìn)一步降低活塞裙部拉缸的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)點(diǎn)受力情況如圖4所示。

圖4 活塞裙部節(jié)點(diǎn)受力情況

經(jīng)過拉缸試驗(yàn)后，拆機(jī)發(fā)現(xiàn)此發(fā)動(dòng)機(jī)四缸活塞均未出現(xiàn)拉傷現(xiàn)象，且缸孔狀態(tài)良好。在后期市場(chǎng)調(diào)研及跟蹤過程中未發(fā)現(xiàn)此柴油機(jī)出現(xiàn)拉缸故障。

4 結(jié)語(yǔ)

造成發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸的主要原因是由于活塞裙部橢圓度偏小，活塞在承受熱載荷和機(jī)械載荷的情況下裙部膨脹，由于裙部與缸孔之間配合間隙不合理導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸。因此通過增大活塞裙部橢圓度，使活塞在運(yùn)行過程中可以保證活塞裙部與缸孔之間潤(rùn)滑油膜的建立，由此解決了發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸的問題。