某型號天然氣發(fā)動機搖臂軸孔異常磨損失效分析

時保帆　王炳成　趙立普　程祥軍

摘 要：針對某型號天然氣發(fā)動機試驗過程中搖臂的搖臂軸孔與搖臂軸異常磨損失效，從多個角度進(jìn)行排查分析。最終確定故障原因為冷態(tài)氣門間隙過小，導(dǎo)致熱態(tài)時，高的熱負(fù)荷下氣門相對氣缸蓋膨脹量超過冷態(tài)氣門間隙，使搖臂軸孔下部與搖臂軸一直處于接觸狀態(tài)，潤滑油潤滑不良，引起搖臂軸孔異常磨損。通過調(diào)整氣門間隙措施并進(jìn)行試驗驗證，問題得以解決。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動機；搖臂；磨損；熱膨脹量

1 引言

搖臂與搖臂軸是發(fā)動機配氣機構(gòu)中的重要零部件，搖臂的搖臂軸孔與搖臂軸的異常磨損會導(dǎo)致配機構(gòu)功能失效，最終影響發(fā)動機整體性能。相對于傳統(tǒng)燃料發(fā)動機，天然氣發(fā)動機具有熱負(fù)荷高的特點，配氣機構(gòu)各部件更容易出現(xiàn)熱負(fù)荷導(dǎo)致的異常磨損等故障。

2 故障現(xiàn)象

某型號天然氣發(fā)動機完成試驗后，拆檢發(fā)現(xiàn)排氣搖臂軸孔磨損嚴(yán)重，進(jìn)氣搖臂軸孔未見異常。如圖1、圖2所示為排氣搖臂軸孔磨損情況。

各缸進(jìn)排氣搖臂軸孔磨損量測量結(jié)果見表1所示，從測量結(jié)果看，排氣搖臂軸孔磨損量明顯大于進(jìn)氣搖臂軸孔。

3 故障原因初步分析

根據(jù)拆檢情況，所有排氣搖臂軸孔均出現(xiàn)明顯異常磨損，而進(jìn)氣搖臂軸孔磨損未見異常。潤滑不良可能為導(dǎo)致異常磨損的直接原因，而導(dǎo)致潤滑不良的原因會有多種可能性，比如加工質(zhì)量不合格或油孔堵塞不順暢，從而供油不良?？紤]到天然氣發(fā)動機熱負(fù)荷較高，零部件熱膨脹量大也可能導(dǎo)致配合間隙過小而使?jié)櫥蛔恪Ｍ瑫r，若零部件材料不合格或者熱處理工藝不合格也可能導(dǎo)致接觸面硬度不足而導(dǎo)致異常磨損。

3 故障分析

3.1 故障模式判定

從拆檢情況看，各缸排氣搖臂軸孔均出現(xiàn)了較為明顯的異常磨損，而進(jìn)氣搖臂軸孔未見異常，具體情況見圖1、圖2。

3.2 建立故障樹

從各個角度考慮，建立零部件失效分析故障樹，如圖3所示。

3.3 故障排查

3.3.1 潤滑不良

對搖臂軸進(jìn)行解剖，檢查油孔是否順暢。同時，測量搖臂軸和油孔關(guān)鍵部位尺寸，以排查是否零部件加工質(zhì)量不合格導(dǎo)致油路不順暢，供油不足從而導(dǎo)致異常磨損。

搖臂軸沿軸向方向解剖圖見圖4所示，從圖中結(jié)果看，排氣側(cè)搖臂油道通暢，油道內(nèi)清潔無異物附著等，不存在加工質(zhì)量問題和油孔堵塞問題；搖臂軸和搖臂軸孔尺寸測量結(jié)果見表2、表3所示，各關(guān)鍵尺寸均符合圖紙要求。

根據(jù)解剖結(jié)果和尺寸測量結(jié)果可排除零部件油孔不暢通和加工質(zhì)量不合格導(dǎo)致異常磨損的情況。

3.3.2 材料分析

對磨損表面使用電子顯微鏡進(jìn)行放大觀察，以進(jìn)行磨損表面形貌分析，磨損形貌圖見圖5。

經(jīng)材料分析結(jié)果分析，搖臂軸孔與搖臂軸的磨損形式為磨粒磨損。搖臂和搖臂軸的硬度結(jié)果滿足圖紙要求。搖臂軸的白亮層厚度略超技術(shù)要求，見圖6，經(jīng)分析不是此次失效的主要原因。

經(jīng)過分析，可排除材料不合格導(dǎo)致異常磨損的情況。

3.3.3 溫度場計算分析

對氣缸蓋和氣門座圈熱變形進(jìn)行有限元計算，結(jié)果見圖7、圖8和表4所示。

對排氣門的熱變形進(jìn)行有限元計算，結(jié)果見圖9和表5所示。

通過有限元計算分析，氣缸蓋和排氣門的熱變形量較大，綜合變形量在0.7mm左右。冷態(tài)氣門間隙為0.6mm，在熱態(tài)時，不足以彌補此熱變形量。

3.3.4 熱態(tài)氣門間隙分析

如果氣門間隙過小，在發(fā)動機工作過程中，由于熱膨脹使搖臂軸與搖臂軸孔間隙過小，會導(dǎo)致潤滑油供油不暢而發(fā)生異常磨損。因此現(xiàn)從熱態(tài)時氣門間隙方面進(jìn)行排查。

根據(jù)以下原理進(jìn)行氣門工作間隙測量：凸輪軸凸輪進(jìn)入工作段前，首先要消除氣門間隙，氣門間隙越大，凸輪實際工作角越小。通過推桿應(yīng)變信號波形測量出凸輪實際工作角，從而得到氣門的工作間隙，試驗結(jié)果見圖10所示。

從圖中可知，當(dāng)冷態(tài)排氣門氣門間隙為0.56mm時，熱態(tài)狀態(tài)下排氣門氣門間隙為0mm。采用相同的方法，將冷態(tài)排氣門氣門間隙增大為0.8mm時，得到熱態(tài)狀態(tài)下排氣門氣門間隙為0.15mm左右。也就是說，排氣門相對缸蓋的熱態(tài)膨脹量為0.65mm左右。

由此可知，冷態(tài)排氣門氣門間隙小，熱態(tài)時，排氣門相對缸蓋的熱態(tài)膨脹量大于冷態(tài)排氣門氣門間隙。這種狀態(tài)下，排氣搖臂軸孔下部與搖臂軸一直處于接觸狀態(tài)，導(dǎo)致潤滑油供油不足，潤滑不良，是產(chǎn)生搖臂軸孔異常磨損的根本原因。

為了驗證以上分析，將排氣門氣門間隙調(diào)整為0.8mm，進(jìn)行試驗驗證。試驗后，拆檢各缸排氣搖臂進(jìn)行檢查，搖臂軸孔均未出現(xiàn)異常磨損情況，拆檢照片見圖11所示。

根據(jù)拆檢情況，驗證了通過調(diào)整氣門間隙可以解決該問題。

4 結(jié)語

本文通過分析，得出以下結(jié)論：

（1）冷態(tài)情況下排氣門氣門間隙過小，會導(dǎo)致天然氣發(fā)動機搖臂軸孔異常磨損。

（2）天然氣發(fā)動機熱負(fù)荷高，冷態(tài)情況下排氣門氣門間隙過小，在熱態(tài)情況時，排氣門相對缸蓋的熱態(tài)膨脹量超過冷態(tài)氣門間隙，使排氣搖臂軸孔下部與搖臂軸一直處于接觸狀態(tài)，搖臂軸孔潤滑不足，導(dǎo)致異常磨損。

（3）通過調(diào)整冷態(tài)下排氣門氣門間隙，可以解決因熱負(fù)荷引起的搖臂軸孔異常磨損問題。

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