內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承磨損機(jī)理及失效分析

賈文靜

摘要：內(nèi)燃機(jī)工作條件較為復(fù)雜，特別是近年來其逐漸趨于高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷等發(fā)展，以及人們對(duì)滑動(dòng)軸承潤滑機(jī)理研究不斷深入，潤滑設(shè)計(jì)在實(shí)踐中不斷完善，對(duì)內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承抗磨損性、抗疲勞性提出新的要求，需開展其磨損機(jī)理分析，掌握其失效原因，采取針對(duì)性解決措施，減少滑動(dòng)軸承磨損，延長其使用壽命。本文闡述軸承磨損機(jī)理基礎(chǔ)上，分析柴油機(jī)磨損過程，最后分析內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承磨損失效。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);滑動(dòng)軸承;磨損機(jī)理;失效

中圖分類號(hào)：TK4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0142-02

0? 引言

內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承是機(jī)械核心零件之一，可靠性較高、工作平穩(wěn)是其核心優(yōu)點(diǎn)，但正常使用過程中，持續(xù)性對(duì)其造成磨損，以及失效現(xiàn)象屢見不鮮，影響其工作效率。內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承磨損主要是其表面鍍層磨損，其自身磨損程度成為影響軸承承載能力及使用壽命核心因素，所以為進(jìn)一步保證內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承使用可靠性，有必要開展其磨損機(jī)理分析，研究失效部位表現(xiàn)，確定失效直接及間接成因，采取針對(duì)性解決措施，對(duì)滑動(dòng)軸承使用可靠性至關(guān)重要。

1? 內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承磨損機(jī)理

針對(duì)機(jī)械零件而言，其摩擦副從投產(chǎn)至損傷需歷經(jīng)三大階段，即磨合、穩(wěn)定、劇烈磨損，且三個(gè)階段呈現(xiàn)的磨損表現(xiàn)不盡相同，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.1 磨合階段

加工完成之后新零件表面存在一定粗糙程度，以及具有較為突出的尖峰，兩個(gè)表面通過尖峰真實(shí)接觸面積較小，所以微凸體間產(chǎn)生較大的接觸壓力，嚴(yán)重狀況下會(huì)超出材料屈服強(qiáng)度限值，致使凸體材料發(fā)生位移，以及接觸面發(fā)生變形即局部溫度較高，形成熔焊，在其表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)下被撕裂。同時(shí)，微凸體實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，易出現(xiàn)劃傷、碰撞等。因此，滑動(dòng)軸承處于磨合階段，磨損量急劇增高。此外，由于零件進(jìn)行加工及裝配時(shí)，其表面間隙未處于均勻狀態(tài)，無法形成穩(wěn)定的油膜，正處于潤滑至混合潤滑過渡階段。零件持續(xù)性處于工作狀態(tài)，凸體不斷處于平緩，促使其接觸面積不斷增大，單位接觸面積與其成反比，同時(shí)通過一定時(shí)間磨損之后，其油膜逐漸形成處于穩(wěn)定狀態(tài)，磨損率隨之減小[1]。

1.2 穩(wěn)定期磨損

穩(wěn)定期滑動(dòng)軸承磨損逐漸趨于平緩，磨損率持續(xù)性降低，并達(dá)到一定條件下其處于穩(wěn)定狀況，零件摩擦副表面形成穩(wěn)定的油膜，處于潤滑油充足工況下，其消除零件凸體間接觸，改善氣表面受力狀況，促使凸體尖峰受力面積增大，處于均勻受力狀態(tài)。此種運(yùn)行條件，對(duì)減少軸承磨損具有一定促進(jìn)作用，尤其是油膜厚度與接觸面粗糙度之比為2：1，摩擦副潤滑程度較佳，凸體間幾乎未接觸，摩擦表面?zhèn)髁χ饕栏接谟湍?，所以軸承磨損處于平穩(wěn)狀態(tài)。穩(wěn)定磨損階段是軸承正常工作狀態(tài)，其保持周期與零件工作，以及磨合階段磨合質(zhì)量相關(guān)。由于機(jī)器啟動(dòng)或中斷條件下，之前建立完整油膜被消除，潤滑條件發(fā)生變化，磨合階段磨合質(zhì)量較佳的機(jī)器，其自身穩(wěn)定磨損時(shí)間較長[2]。

1.3 劇烈磨損階段

由于上述機(jī)械磨損處于穩(wěn)定期，保持一段時(shí)間之后，受多方面因素影響，如潤滑失效、載荷增加等，均加劇機(jī)器表面磨損程度。劇烈磨損是持續(xù)性受磨損最終產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，具有一定的突發(fā)性及急劇性。機(jī)器處于劇烈磨損過程，不僅影響機(jī)器實(shí)際運(yùn)行效率，而且自身運(yùn)行產(chǎn)生噪聲增大，摩擦副由于摩擦劇烈，內(nèi)部溫度持續(xù)性上升，導(dǎo)致零件被損傷。

上述機(jī)器磨損三個(gè)階段并非是固定的，受多方面因素影響其處于動(dòng)態(tài)化，不合理的磨合、非正常磨損工作條件均提前劇烈磨損階段，造成機(jī)器早期磨損失效。磨合階段過程中若載荷過小，亦或使用潤滑油不合適，會(huì)推遲機(jī)械穩(wěn)定磨損期，導(dǎo)致新設(shè)備投產(chǎn)使用時(shí)間推遲。反之若磨合階段過短，機(jī)器磨合未處于最佳階段，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械出現(xiàn)早期磨損。

2? 柴油機(jī)磨損過程

2.1 內(nèi)燃機(jī)摩擦副及潤滑系統(tǒng)

柴油機(jī)出廠之前需對(duì)整機(jī)開展系統(tǒng)性磨合，以及相關(guān)參數(shù)調(diào)試驗(yàn)證，核心目的在于改善運(yùn)動(dòng)副接觸狀態(tài)，運(yùn)轉(zhuǎn)柴油機(jī)的磨損主要體現(xiàn)在零部件摩擦副表面形態(tài)，以及接觸狀態(tài)發(fā)生變更，隨著機(jī)器部件表面狀態(tài)持續(xù)性變更，潤滑狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定階段，從邊界潤滑轉(zhuǎn)移至流體穩(wěn)定潤滑狀態(tài)，進(jìn)而避免柴油機(jī)過早出現(xiàn)磨損，提高柴油機(jī)工作效率及延長使用壽命。

2.2 柴油機(jī)磨損過程及其相關(guān)性

新柴油機(jī)零件或新安裝的零件表面，存在一定的宏觀、微觀缺陷。機(jī)械處于磨合階段，其運(yùn)動(dòng)副表面在接觸下形成一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸面積較大其壓力持續(xù)性增大，尖峰形成劇烈磨損，其表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均發(fā)生變化。機(jī)械逐漸適應(yīng)磨合條件，隨著接觸面積不斷增加，其表面壓力不斷減小，磨損率下降。按照柴油機(jī)實(shí)際工作條件及磨損機(jī)理，著重分析其實(shí)際載荷、速度、摩擦副表面形貌等對(duì)磨損造成影響，由此分析其實(shí)際磨損量與載荷、速率、摩擦副狀態(tài)成正相關(guān)。因此，分析柴油機(jī)整機(jī)磨合過程時(shí)，不僅需考量運(yùn)行速率、載荷因素，而且需將摩擦副實(shí)際狀態(tài)予以計(jì)入影響因素中，特別是潤滑油影響[3]。

3? 內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承磨損失效分析

3.1 滑動(dòng)軸承損壞形式及失效

滑動(dòng)軸承工作具有平穩(wěn)性及可靠性，但由于其易磨損，正常失效型式是磨損失效，軸承間隙較大超過磨損限值條件下，軸承無法進(jìn)行正常工作，其實(shí)際磨損使用壽命達(dá)到設(shè)計(jì)值。一般針對(duì)滑動(dòng)軸承失效分析，是針對(duì)處于非正常狀態(tài)下造成機(jī)器損傷，其損壞形式未處于設(shè)計(jì)使用壽命損壞階段。影響滑動(dòng)軸承早期損傷因素較多，主要包含以下幾方面：①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏合理性?；瑒?dòng)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏合理性，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)計(jì)算偏差較大，精度控制不當(dāng)，軸承內(nèi)部鍍層材料選取不當(dāng)?shù)取＂谏a(chǎn)工藝、加工質(zhì)量不佳。生產(chǎn)工藝、加工質(zhì)量與軸承正常運(yùn)行密切相關(guān)，若加工過程中造成其形成質(zhì)量缺陷，易在后續(xù)使用過程中提早進(jìn)入劇烈磨損階段，縮短機(jī)器使用壽命年限。亦或加工方式滯后，造成其材料內(nèi)部性能、尺寸等未滿足相關(guān)精度要求。③裝配工藝。裝配工藝滯后、裝配后精度難以滿足設(shè)計(jì)要求，是影響其損壞核心因素。④使用及維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)。機(jī)器使用過程中采取相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)，有助于消除機(jī)器運(yùn)行存在不良隱患，促使其性能始終保持在最佳使用狀態(tài)。然而，若機(jī)器投產(chǎn)使用之后持續(xù)性處于高溫、高壓工況下，忽視其機(jī)器維護(hù)及保養(yǎng)，會(huì)造成提早進(jìn)入劇烈磨損階段，影響機(jī)器工作效率及使用年限。⑤其他部件影響。潤滑油失效、濾清器選取缺乏合理性等，均會(huì)導(dǎo)致軸承損傷。由上述因素表明，軸承損壞因素較多，且具有一定的復(fù)雜性，滑動(dòng)軸承損壞現(xiàn)象是綜合性成結(jié)果，所以對(duì)其進(jìn)行失效分析時(shí)，需按照其表現(xiàn)形式分析，逐一確定其發(fā)生因素，如此保證有目的性、有針對(duì)性采取預(yù)防措施[4]。

3.2 內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承損壞現(xiàn)象及其對(duì)策

內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承損壞現(xiàn)象分析十分重要，需透過現(xiàn)象看本質(zhì)，以此確定其損傷的主次因素，并采取針對(duì)性改進(jìn)措施，提高滑動(dòng)軸承運(yùn)行效率，延長其使用壽命，包含以下七種現(xiàn)象，下面對(duì)其進(jìn)行逐一分析：

3.2.1 劃傷

機(jī)器表面存在劃傷主要現(xiàn)象是表面沿旋轉(zhuǎn)方向存在若干根劃痕，核心損傷機(jī)理是由于大顆粒硬質(zhì)機(jī)械劃過機(jī)器表面，確定形成因素是軸承潤滑間隙中存在一定的硬質(zhì)顆粒，可能是潤滑油內(nèi)部存在物質(zhì)，亦或裝配工作未做好清潔工作。針對(duì)上述損壞現(xiàn)象應(yīng)檢查濾清成效，檢查其他零部件是否存在磨損，潤滑油內(nèi)部是否存在硬質(zhì)粒徑，裝配做好清潔工作。

3.2.2 磨粒磨損

工作表面核心承載區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)沿旋轉(zhuǎn)方向細(xì)微摩擦痕跡，軸承間隙增大，損傷區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)較亮的拋光面。損傷機(jī)理是機(jī)油中含有微小的雜質(zhì)，持續(xù)性磨損機(jī)器表面，產(chǎn)生原因是潤滑油過濾之后質(zhì)量不佳，造成較大粒徑進(jìn)入機(jī)器表面，潤滑油被污染。采取措施是利用光譜等方式進(jìn)行分析，明確粒徑相關(guān)參數(shù)，估測(cè)未來磨損趨勢(shì)。同時(shí)，增強(qiáng)濾清成效，及時(shí)更換機(jī)油。

3.2.3 混合摩擦磨損

工作表面局部較為光滑，軸承間隙增大。此種現(xiàn)象形成的機(jī)理是油膜過薄，持續(xù)性處于混合摩擦狀態(tài)下，造成區(qū)域內(nèi)磨損。油膜厚度不足，承載力薄弱等是形成其核心因素，以及柴油機(jī)持續(xù)性處于高載荷工況。采取改善措施是使用軸瓦壽命若達(dá)標(biāo)，屬于正常范圍內(nèi)，應(yīng)及時(shí)更換軸瓦，適當(dāng)調(diào)整軸承參數(shù)，增加油膜厚度及承載力。

3.2.4 咬粘

工作表面大面積沿圓周方向出現(xiàn)溝痕，油槽及軸瓦邊緣存在一定的殘痕，軸頸表面也粘焊軸承合金。發(fā)生機(jī)理是軸承持續(xù)性處于工作狀態(tài)，高溫狀況下合金軟化，軸頸將其正在高壓下拖動(dòng)，形成粘駙及材料發(fā)生位移。形成此種因素較多，如軸承載荷較大、潤滑油粘度較低、劇烈磨損形成溫度增加等。若此種現(xiàn)象屬于偶發(fā)性，可能是其他零件引起;若時(shí)常出現(xiàn)其他部件處于正常工況，需綜合性進(jìn)行考量：油膜整體厚度是否充足、承載力是否滿足運(yùn)行要求;潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否具有合理性、可靠性;軸承間隙與材料實(shí)際溫度是否滿足要求;材料許用比率值是否被超限。

3.2.5 偏磨

其呈現(xiàn)現(xiàn)象是軸瓦一側(cè)邊緣出現(xiàn)磨痕。形成核心因素是軸頸、軸承支座出現(xiàn)形變或加工偏邊。采取措施是通過調(diào)整改善曲軸設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其自身剛度;嚴(yán)控軸承頸錐度公差;連桿大端軸承出現(xiàn)損傷現(xiàn)象，需核查是否引起其軸承孔偏斜。

3.2.6 擦傷

工作表面局部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)刻痕，具有明晰的界線。機(jī)器損傷機(jī)理是滑動(dòng)軸承表面存在硬質(zhì)粒徑，持續(xù)性擦劃表面，多見于油膜厚度較薄區(qū)域內(nèi)，形成核心因素是機(jī)油濾清不佳，采取措施與劃傷相同。

3.2.7 侵蝕磨損

主要是油孔、油槽邊緣呈現(xiàn)沖刷磨痕，損傷機(jī)理是機(jī)器表面流動(dòng)潤滑油中存在一定磨粒，造成表面出現(xiàn)損傷。此種現(xiàn)象形成因素是潤滑油質(zhì)量不佳，流道設(shè)計(jì)不當(dāng)致使流速過高。應(yīng)改善其流道設(shè)計(jì)，拓寬油槽截面。

4? 結(jié)束語

滑動(dòng)軸承作為內(nèi)燃機(jī)核心零部件，其具有一定的平穩(wěn)定、可靠性，唯一不足是易損傷，影響工作效率及零部件使用年限。因此，為提高零部件使用效率及延長年限，應(yīng)對(duì)其磨損機(jī)理展開系統(tǒng)性分析，掌握影響其磨損的主次因素，以及研究其失效根源，便于采取行之有效的策略改進(jìn)，保證其使用性能優(yōu)良，延長使用時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]權(quán)秀敏，丁林.微造型化對(duì)滑動(dòng)軸承軸頸表面涂層摩擦行為的影響[J].欽州學(xué)院學(xué)報(bào)，2019（7）：11-16.

[2]張一磊，徐武彬，李冰，等.橢圓誤差對(duì)滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020（2）：247-250.

[3]趙道利，馬曉棟，孫維鵬，等.考慮溫黏熱效應(yīng)的滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[J].振動(dòng)與沖擊，2019（18）：100-107.

[4]楊期江，趙學(xué)智，湯雅連，等.非零奇異值數(shù)量的理論分析及其在滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征提取應(yīng)用[J].振動(dòng)與沖擊，2019，38（15）：17-26.

[5]姜元平.柴油機(jī)軸承潤滑系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)軟件的研制[D].山東大學(xué)，2004：1-105.

[6]高元，王文中，趙自強(qiáng)，等.表面織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)軸承潤滑性能的影響[J].潤滑與密封，2016（8）：6-13.

[7]張金煜，孟永鋼.推力滑動(dòng)軸承表面織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012（17）：91-99.

[8]王曉青，夏水華.滑動(dòng)軸承失效影響因素和影響機(jī)制研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2011（3）：26-29，59.

[9]曹清香.柴油機(jī)主軸承磨損監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（5）：28-30，34.