正時(shí)皮帶斷裂分析及改進(jìn)

王睿，周兆鵬，楊文釗

1. 內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

正時(shí)皮帶是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的重要部件，用來(lái)保證凸輪軸、曲軸相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系。正時(shí)齒形皮帶通過(guò)與曲軸的連接并配合一定的傳動(dòng)比來(lái)保證進(jìn)、排氣時(shí)間的準(zhǔn)確性。皮帶傳動(dòng)噪聲小、自身變化量小且易于補(bǔ)償。

在柴油機(jī)共軌系統(tǒng)中，正時(shí)皮帶由于發(fā)生跳齒、最優(yōu)相位選擇錯(cuò)誤等問(wèn)題可造成運(yùn)動(dòng)部件位置關(guān)系改變，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不良、活塞撞擊氣門(mén)，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件報(bào)廢等問(wèn)題[1]。

以某輕型柴油機(jī)為研究對(duì)象，基于故障樹(shù)分析法分析正時(shí)皮帶磨損、搖臂斷裂故障的原因，通過(guò)仿真計(jì)算確定噴油泵最優(yōu)相位，并通過(guò)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性。

1 故障現(xiàn)象

某4缸輕型柴油機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，進(jìn)行臺(tái)架例行保養(yǎng)(油水電等常規(guī)檢查)，熱機(jī)后進(jìn)行常規(guī)耐久試驗(yàn)約1 h發(fā)生功率異常報(bào)警，停車(chē)檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常，而重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)無(wú)法正常起動(dòng)。經(jīng)排查，油路無(wú)異常,INCA數(shù)據(jù)無(wú)報(bào)錯(cuò)，增壓器等無(wú)異常。在臺(tái)架上簡(jiǎn)易拆檢，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)正時(shí)皮帶破損、正時(shí)錯(cuò)亂、搖臂斷裂等故障，如圖1所示。

a)搖臂斷裂 b)正時(shí)皮帶磨損圖1 故障實(shí)拍圖

2 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法(fault tree analysis，F(xiàn)TA)是由上往下的演繹式失效模式分析法，既可以用于協(xié)助設(shè)計(jì)滿足創(chuàng)建輸出或較低層模組的需求，也可用作診斷工具，用來(lái)識(shí)別及診斷故障產(chǎn)生的原因[2-3]。

首先基于FTA法分析正時(shí)皮帶磨損斷裂故障，找出引起該故障的原因，再根據(jù)部件關(guān)鍵重要度的計(jì)算結(jié)果確定各故障原因的影響大小，識(shí)別分析出故障根源，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施的有效性。正時(shí)皮帶斷裂故障樹(shù)分析如圖2所示。

圖2 正時(shí)皮帶磨損斷裂故障樹(shù)分析圖

由圖2可知，正時(shí)皮帶失效原因較多，主要有皮帶壽命超期、發(fā)動(dòng)機(jī)工況改變、皮帶質(zhì)量不滿足要求、張緊輪質(zhì)量不滿足要求、皮帶輪齒形不滿足要求、噴油泵正時(shí)裝配錯(cuò)誤(運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，可以排除凸輪軸正時(shí)裝配錯(cuò)誤)等。需對(duì)眾多原因進(jìn)行分析與排除，確認(rèn)本次故障的根本原因。

3 故障原因分析

3.1 皮帶壽命分析

為驗(yàn)證皮帶壽命的可靠性，對(duì)正時(shí)皮帶的使用壽命進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn),轉(zhuǎn)子測(cè)量臺(tái)如圖3所示。轉(zhuǎn)子測(cè)量臺(tái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)前端輪系轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)況，分別進(jìn)行變速工況及穩(wěn)態(tài)工況下的耐久循環(huán)直至皮帶疲勞磨損，得到正時(shí)皮帶多狀態(tài)下的使用壽命。前端輪系布置分布如圖4所示，輪系內(nèi)包含機(jī)油泵齒帶輪、噴油泵齒帶輪、水泵齒帶輪、凸輪軸齒帶輪、張緊輪、正時(shí)皮帶等[4]，其中凸輪軸采用頂置雙凸輪軸，采取頂置分布的凸輪軸可直接通過(guò)搖臂來(lái)驅(qū)動(dòng)氣門(mén)或凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)氣門(mén)，省去了挺柱和推桿，使往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量大大減小，適用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)[5]。

圖3 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái) 圖4 前端輪系布置

以2根相同正時(shí)皮帶分別運(yùn)行變速、穩(wěn)態(tài)兩種工況，測(cè)試正時(shí)皮帶的壽命。兩種工況的具體設(shè)置和運(yùn)行情況見(jiàn)表1、2。

表1 變速工況下正時(shí)皮帶壽命運(yùn)行情況

表2 穩(wěn)定工況下正時(shí)皮帶壽命運(yùn)行情況

由表1、2可知，正時(shí)皮帶使用周期至少為6040 h，遠(yuǎn)大于此次故障耐久試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)743 h，可排除由皮帶壽命問(wèn)題引發(fā)的磨損故障。

3.2 工況及技術(shù)路線改變的影響

由于該輕型柴油機(jī)排放由國(guó)五[6]升級(jí)為國(guó)六[7]，因此推測(cè)工況及技術(shù)路線的改動(dòng)對(duì)正時(shí)皮帶可靠性有影響[8]，以下為該輕型發(fā)動(dòng)機(jī)排放升級(jí)時(shí)技術(shù)路線及結(jié)構(gòu)變化。

1)油泵壓力由160 MPa提升至180 MPa，由此導(dǎo)致的扭矩變化如圖5所示。

圖5 不同油泵壓力下扭矩變化曲線

2)國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)技術(shù)路線為選擇性催化還原技術(shù)，國(guó)六技術(shù)路線為廢氣再循環(huán)-顆粒捕集器-氧化催化器-選擇性催化還原，后處理系統(tǒng)有所升級(jí)。

3)更換噴油泵、增壓器等零部件。

排放升級(jí)前后柴油機(jī)性能變化如表3所示。

表3 排放升級(jí)前后的發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)變化

由表3可知，排放升級(jí)導(dǎo)致低速扭矩和標(biāo)定爆壓均有輕微變動(dòng)，扭矩由290 N·m增大至300 N·m，缸內(nèi)爆壓由16.0 MPa提升至16.2 MPa。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩從曲軸端輸出力矩，在功率不變的條件下與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比，反映一定范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力[9]。前端輪系輸出力矩增大、負(fù)載提高，對(duì)正時(shí)皮帶磨損的影響較小。

3.3 張緊輪質(zhì)量分析

對(duì)故障機(jī)上的張緊輪按照質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)[10]進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)及拆檢，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)如表4所示。

表4 張緊輪重要性能參數(shù)采集對(duì)比表

由表4可知，張緊輪的拉力、阻尼、垂直度、飛輪壓力4項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試值都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)異常。

拆檢過(guò)程中可確認(rèn)張緊輪的套筒、彈簧、減震圈等零件表面狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)斷裂或異常磨損，僅張緊輪熱點(diǎn)檢測(cè)儀有皮帶斷裂現(xiàn)象，結(jié)合正時(shí)皮帶背面整圈劃痕，判斷為正時(shí)皮帶與噴油泵匹配相位錯(cuò)誤后斷裂留下的劃痕[11]。張緊輪拆檢如圖6所示。

圖6 張緊輪拆檢示意圖

3.4 皮帶輪齒形及質(zhì)量分析

曲軸皮帶輪、噴油泵皮帶輪、凸輪軸皮帶輪試驗(yàn)件返廠進(jìn)行齒形數(shù)據(jù)測(cè)量，結(jié)果如表5所示。由表5可知，同軸度、直線度、粗糙度、端面平行度等重要參數(shù)均滿足圖紙技術(shù)要求，未發(fā)現(xiàn)異常。檢測(cè)皮帶尺寸、強(qiáng)度等物理性數(shù)據(jù)，結(jié)果如表6所示。由表6可知，各指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。因此，皮帶輪齒形及質(zhì)量對(duì)正時(shí)皮帶斷裂無(wú)明顯影響。

表5 皮帶輪齒形參數(shù)測(cè)量

表6 正時(shí)皮帶尺寸、物理數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果

3.5 噴油泵正時(shí)分析

以上故障原因被逐一排除，在張緊輪拆檢過(guò)程中觀察斷裂件裂縫及皮帶劃痕，推斷正時(shí)皮帶斷裂原因?yàn)閲娪捅煤驼龝r(shí)皮帶匹配錯(cuò)亂。

為驗(yàn)證推斷的準(zhǔn)確性，以“+”代表順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)齒，“-”代表逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)齒,對(duì)油泵進(jìn)行最優(yōu)相位角測(cè)試。試驗(yàn)皮帶采用B2型號(hào)，張緊輪為T(mén)1型號(hào)，油溫控制在90 ℃，測(cè)試時(shí)間為6 h，其余試驗(yàn)條件如表7所示。不同扭矩下的張緊器擺幅如表8所示，其中0°代表故障試驗(yàn)時(shí)選擇的油泵相位，以此為基礎(chǔ)0相位(最大升程位于發(fā)動(dòng)機(jī)第一缸上止點(diǎn)處)。

表7 油泵帶輪相位角測(cè)試方案

表8 不同扭矩下的張緊器擺幅 mm

由表8可知，在+4和+6齒位時(shí)引擎負(fù)載較小，張緊輪擺幅也相對(duì)較小，正時(shí)皮帶受到的力矩矢量和越小，對(duì)比零相位時(shí)張緊輪的擺幅優(yōu)化效果顯著，因此，+4和+6為油泵相位的優(yōu)先選擇。

4 相位優(yōu)化方案與驗(yàn)證

4.1 優(yōu)化方案

為使發(fā)動(dòng)機(jī)處于可靠性最優(yōu)狀態(tài)，在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量+4和+6兩種相位的張緊輪振幅，在二者中擇優(yōu)。

在圓凸輪軸帶輪傳動(dòng)下，噴油泵和正時(shí)皮帶呈正弦曲線波動(dòng)，其波峰重合度越小，共振幾率越小[12]，此時(shí)張緊輪擺幅小且穩(wěn)定，正時(shí)皮帶不易磨損。通常張緊輪振幅越小，油泵相位越合適。不同相位的張緊輪振幅隨轉(zhuǎn)速的變化對(duì)比曲線如圖7所示。

該輕型柴油機(jī)常用工況轉(zhuǎn)速在2500 r/min以下，所以重點(diǎn)考核范圍為500～2500 r/min。由圖7可知，在該范圍內(nèi)的同一轉(zhuǎn)速下，+6相位的張緊輪擺幅總體小于+4相位的擺幅。因此，+6相位為油泵相位的最優(yōu)選擇。圖8為相位調(diào)整后的油泵三維圖，紅色處為+6相位(調(diào)整過(guò)后的標(biāo)準(zhǔn)相位)。

圖7 不同相位的張緊輪振幅隨轉(zhuǎn)速的變化對(duì)比曲線 圖8 油泵+6相位的三維示意圖

4.2 驗(yàn)證

優(yōu)化相位后，在該輕型柴油機(jī)上進(jìn)行耐久循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證，共進(jìn)行3次負(fù)載耐久循環(huán)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)間為500 h；1次制動(dòng)耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為500 h。4次試驗(yàn)皆未出現(xiàn)正時(shí)皮帶相關(guān)故障。

綜上所述，正時(shí)皮帶斷裂故障的主要原因?yàn)橛捅孟辔贿x擇錯(cuò)誤，+6相位為油泵的最優(yōu)選擇相位。

5 結(jié)論

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，詳細(xì)分析了正時(shí)皮帶斷裂的潛在原因，并進(jìn)行了排除與驗(yàn)證。

1)油泵相位選擇錯(cuò)誤為正時(shí)皮帶斷裂的主要原因。

2)該輕型機(jī)排放升級(jí)后標(biāo)準(zhǔn)工況改變是導(dǎo)致皮帶斷裂的次要原因。

3)噴油泵與正時(shí)皮帶在輕型柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)呈正弦曲線波動(dòng)，當(dāng)匹配不當(dāng)時(shí)，兩者波峰易疊加產(chǎn)生共振，導(dǎo)致張緊輪振幅增大，此時(shí)皮帶斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大，其最優(yōu)相位為+6相位。