某型柴油機(jī)凸輪異常磨損原因分析

徐武 龐龍俊 胡明翔 史永明 呂蕾

摘要：本文針對(duì)某型大功率柴油機(jī)累計(jì)運(yùn)行2100小時(shí)出現(xiàn)的燃油凸輪發(fā)生磨損進(jìn)行了多方面原因排查發(fā)現(xiàn)凸輪型線(xiàn)加工超差，在工作過(guò)程中，凸輪表面切向方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生變化，與滾輪接觸時(shí)受力增加，從而加快了凸輪表面磨損。分析了應(yīng)采取的整改措施，可以避免燃油凸輪發(fā)生過(guò)快磨損。

Abstract： This article for a certain type of high power diesel engine to run 2100 hours of fuel CAM wear and tear on the various reasons for trying to find processing of CAM contour line， in the process of work， the CAM surface tangential direction change trend of relative motion， and roller contact stress increase， thus speeding up the CAM surface wear. The corrective measures should be taken to avoid excessive wear of fuel CAM are analyzed.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);凸輪;磨損

Key words： diesel engine;CAM;wear and tear

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0125-02

0? 引言

某型船用柴油機(jī)為12缸V型機(jī)，配置的高壓燃油泵為機(jī)械式柱塞泵，其中柱塞、挺柱、滾輪與凸輪配合運(yùn)行為柴油機(jī)提供高壓燃油。凸輪在工作中承受周期性沖擊載荷，凸輪與挺柱滾輪之間接觸應(yīng)力很大，在設(shè)計(jì)中對(duì)凸輪型線(xiàn)規(guī)定了較高的精度。本文針對(duì)某型柴油機(jī)在年檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的凸輪軸磨損故障，開(kāi)展原因分析和排查，確定并驗(yàn)證了磨損原因，提出了整改措施，為避免柴油機(jī)凸輪表面異常磨損提供參考。

1? 故障現(xiàn)象

某船主機(jī)柴油機(jī)在運(yùn)行期間，滑油溫度、壓力等各項(xiàng)參數(shù)均顯示正常。但在進(jìn)行年保修時(shí)發(fā)現(xiàn)左機(jī)B2、B6和右機(jī)A3、A6，共計(jì)四個(gè)燃油凸輪發(fā)生磨損，發(fā)生磨損時(shí)柴油機(jī)運(yùn)行約2100小時(shí)，凸輪磨損情況詳見(jiàn)圖1。

拆下異常磨損的燃油凸輪進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)燃油凸輪磨損集中在噴油器開(kāi)啟階段，磨損處沿圓周方向長(zhǎng)度25mm左右，磨損面寬度與滾輪寬度基本相同。但在同一工作面的滾輪表面卻無(wú)任何損傷。

2? 故障原因分析排查

通常導(dǎo)致燃油凸輪異常磨損的原因，有以下原因：

①凸輪與滾輪之間無(wú)潤(rùn)滑來(lái)油，形成干摩擦;

②滑油系統(tǒng)清潔度差，異物造成磨損;

③凸輪材料和硬度不達(dá)標(biāo)，不能滿(mǎn)足使用要求;

④凸輪型線(xiàn)設(shè)計(jì)不合理或加工超差;

⑤其它影響凸輪與滾輪之間貼合的相關(guān)尺寸不合格。

根據(jù)故障可能原因?qū)ο嚓P(guān)零部件開(kāi)展如下排查工作：

2.1 對(duì)凸輪與滾輪之間潤(rùn)滑油來(lái)路進(jìn)行檢查

該機(jī)型的高壓油泵驅(qū)動(dòng)裝置、滾輪是強(qiáng)制潤(rùn)滑，從主油道接有油管送至高壓油泵驅(qū)動(dòng)裝置，再流入滾輪與凸輪。拆除磨損凸輪對(duì)應(yīng)的四個(gè)高壓油泵，開(kāi)啟滑油預(yù)供泵，可以觀(guān)察到驅(qū)動(dòng)裝置、滾輪均有大量滑油留出，油道通暢。所以可以排除凸輪與滾輪之間無(wú)潤(rùn)滑來(lái)油造成的凸輪磨損。

2.2 對(duì)滑油系統(tǒng)清潔度進(jìn)行檢查

拆檢燃油驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鑄件型砂、加工零件毛刺等;翻閱裝配記錄，燃油驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪軸以及滑油管路裝配，清潔度檢查，自檢和專(zhuān)檢均記錄符合清潔度要求;檢查清洗滑油濾器，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常的硬質(zhì)異物，滑油清潔度良好。

2.3 對(duì)凸輪材料和表面硬度進(jìn)行檢查

該型柴油機(jī)燃油凸輪專(zhuān)利方材料為16NC6，且凸輪為進(jìn)口件，對(duì)故障燃油凸輪材料化學(xué)成分進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中可以看出凸輪化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，復(fù)查凸輪入庫(kù)檢查記錄，化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)凸輪的表面到芯部硬度進(jìn)行了檢查，測(cè)得凸輪表面實(shí)際硬度為HV675，芯部硬度HV258，根據(jù)凸輪相關(guān)技術(shù)文件，燃油凸輪表面硬度要求值為HV670～760，芯部硬度要求值≥HV275，檢測(cè)結(jié)果表明凸輪外表面硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 對(duì)凸輪型線(xiàn)進(jìn)行檢查

按凸輪圖紙對(duì)磨損凸輪型線(xiàn)進(jìn)行全方位測(cè)量，將測(cè)量尺寸輸入到二維繪圖軟件里繪制的凸輪型線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)的凸輪型線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。發(fā)現(xiàn)故障凸輪有兩處型線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)凸輪型線(xiàn)有偏差，其中偏差較大的部位與凸輪實(shí)際磨損處位置基本吻合，最大偏差為5mm，其余尺寸及升程符合圖紙要求（具體見(jiàn)圖2），圖中陰影曲線(xiàn)部分為故障件凸輪型線(xiàn)。所以不排除凸輪型線(xiàn)偏差造成凸輪磨損的可能。

由于凸輪在使用過(guò)程中發(fā)生磨損，為查明原因，對(duì)同一批次的庫(kù)存燃油凸輪進(jìn)行測(cè)量得到同樣不符合圖紙要求的型線(xiàn)尺寸，非同批次檢查結(jié)果表明凸輪型線(xiàn)符合圖紙要求，見(jiàn)圖3。

2.5 對(duì)其它影響凸輪與滾輪之間貼合的相關(guān)尺寸進(jìn)行檢查

根據(jù)凸輪專(zhuān)利方圖紙進(jìn)行其它相關(guān)尺寸的檢查，檢測(cè)結(jié)果如表2。

從檢測(cè)結(jié)果看，全部合格，可以排除影響凸輪與滾輪之間貼合的尺寸超差引起凸輪工作面異常磨損。

3? 故障原因分析

由于凸輪型線(xiàn)加工超差，從圖4中可以看出，當(dāng)開(kāi)始進(jìn)入供油階段，凸輪型線(xiàn)斜率比較大，柱塞上升加速度大。隨著高壓燃油系統(tǒng)燃油壓力的提高，凸輪型線(xiàn)斜率應(yīng)該開(kāi)始變小，但在圖5中可以看到有缺陷的凸輪此時(shí)還處于大斜率的型線(xiàn)，滾輪與凸輪在此缺陷處接觸加速度大，凸輪表面的接觸摩擦力增加，滾輪與凸輪之間為無(wú)壓力潤(rùn)滑油，周期性高接觸力作用下，油膜變的更薄甚至被破壞，凸輪長(zhǎng)期使用過(guò)程中，油膜一旦被破壞，接觸部位形成干摩擦，產(chǎn)生局部高溫，接觸表面形成粘著點(diǎn)，在此部位逐漸發(fā)生磨損現(xiàn)象。

但同一工作面的滾輪表面為什么沒(méi)有出現(xiàn)磨損？根據(jù)滾輪相關(guān)技術(shù)文件，滾輪精加工后滲碳層深度2■■mm，硬度HV700～750。

對(duì)噴油泵頂桿機(jī)構(gòu)分解，檢查滾輪、滾輪襯套、滾輪銷(xiāo)和挺柱，并對(duì)滾輪進(jìn)行磁粉探傷，均滿(mǎn)足要求，無(wú)裂紋顯示。對(duì)滾輪的表面硬度進(jìn)行了檢查，測(cè)得滾輪表面實(shí)際硬度為HV735，而凸輪表面實(shí)際硬度為HV675。所以解釋了長(zhǎng)時(shí)間的周期性高接觸力作用下，磨損的是凸輪。

4? 故障原因驗(yàn)證

在磨損原因和故障原因分析的基礎(chǔ)上，對(duì)該柴油機(jī)更換了全部合格的燃油凸輪片，以驗(yàn)證原因分析結(jié)論。經(jīng)過(guò)實(shí)船歷時(shí)一年的航行使用考核，柴油機(jī)累計(jì)運(yùn)行接近五千小時(shí)，再未發(fā)生凸輪磨損現(xiàn)象。柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好。實(shí)際情況證明，燃油凸輪過(guò)快磨損的原因是凸輪型線(xiàn)加工超出設(shè)計(jì)規(guī)定的公差要求，致使故障發(fā)生。

5? 改進(jìn)建議

凸輪材料、尺寸及表面硬度直接影響柴油機(jī)的可靠性，對(duì)于設(shè)計(jì)定型的柴油機(jī)，尤其是中高速的大功率柴油機(jī)需要重點(diǎn)針對(duì)凸輪材料、尺寸及表面硬度加強(qiáng)生產(chǎn)制造過(guò)程的監(jiān)管，特別是加強(qiáng)對(duì)原材料采購(gòu)的質(zhì)量控制和凸輪型線(xiàn)加工及熱處理的過(guò)程檢驗(yàn)，可以大幅度減少柴油機(jī)此類(lèi)故障的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]柴油機(jī)排煙異常的分析與診斷[J].黑龍江科技信息，2004（11）：28.

[2]韓自樸.8240ZJ型柴油機(jī)凸輪異常磨損的原因分析及對(duì)策[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，1993：41-43.

[3]張河.CAT-C9柴油機(jī)部件磨損原因分析及預(yù)防措施[J]. 設(shè)備管理與維修，2019（19）：67-68.