某柴油機(jī)連桿上瓦異常磨損故障分析及優(yōu)化

0 引言

軸瓦是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的減磨零件，它與曲軸構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)重要的摩擦副，良好的軸承狀態(tài)可以降低與軸徑之間的滑動(dòng)摩擦磨損，可高效的將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力平穩(wěn)輸出，提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度日益增加，發(fā)動(dòng)機(jī)廠家及用戶(hù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性要求也越來(lái)越高，連桿軸承的運(yùn)行條件愈來(lái)愈苛刻，對(duì)軸承的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)及工藝水平提供了更高的要求。本文重點(diǎn)介紹試驗(yàn)室出現(xiàn)的軸瓦微動(dòng)故障，通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)及工藝控制達(dá)到滿意的試驗(yàn)結(jié)果。引起發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦失效的原因多種多樣, 錯(cuò)綜復(fù)雜, 為了防止軸瓦的早期失效, 提高軸瓦使用壽命, 合理的設(shè)計(jì)、合格的制造質(zhì)量、正確有效的使用, 都是相互關(guān)聯(lián)、不可缺少的重要因素。尤其是連桿軸瓦工況苛刻, 需承受較大的動(dòng)載荷, 又在潤(rùn)滑系統(tǒng)主油道油路未端, 若沒(méi)有合理充分的潤(rùn)滑環(huán)境, 必然引起軸瓦嚴(yán)重失效, 導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)重大故障

。

圖7給出了溶液pH值為4.56、攪拌30 min、靜置30 min時(shí)，0.1 g分子篩原粉對(duì)處理不同體積Pb2+溶液的去除效果。

1 故障簡(jiǎn)介

某機(jī)型柴油機(jī)在試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)過(guò)程中多次出現(xiàn)軸瓦異常磨損的故障。耐久試驗(yàn)后拆檢，4個(gè)缸連桿上瓦鋼背痕跡異常，且各缸軸瓦運(yùn)行表面有5處嚴(yán)重磨損痕跡(邊緣4處、中心1處，見(jiàn)圖1)。短時(shí)的功能試驗(yàn)(運(yùn)行時(shí)間約4h)連桿上瓦內(nèi)表面也出現(xiàn)邊緣及中心處磨損形態(tài)異常，見(jiàn)圖2，故障現(xiàn)象較一致、規(guī)律性強(qiáng)。

2 原因初判：

測(cè)量輪廓顯示瓦內(nèi)表面磨損嚴(yán)重的4個(gè)凸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鋼背有凸起，最高凸出量達(dá)到15μm左右，見(jiàn)圖3。經(jīng)測(cè)量連桿底孔、新瓦內(nèi)外表面直線輪廓無(wú)異常。對(duì)失效軸瓦和新瓦分別進(jìn)行貼合度檢測(cè)，新瓦貼合度檢測(cè)正常，失效軸瓦存在明顯的異常不貼合區(qū)域。

每一位語(yǔ)文老師都要學(xué)習(xí)福樓拜在語(yǔ)言運(yùn)用上這種一絲不茍的精神。要嚴(yán)格要求自己認(rèn)真錘煉語(yǔ)言，做到準(zhǔn)確、鮮明、生動(dòng)，最要緊也最重要的是先要準(zhǔn)確。不少老師所寫(xiě)文章的語(yǔ)言毛病多，錯(cuò)用、亂用、重復(fù)，不合語(yǔ)法，不合邏輯等。如此如何教好學(xué)生？福樓拜對(duì)己的作品精雕細(xì)刻，常常整夜把自己關(guān)在書(shū)室里，不斷地推敲文字，一遍一遍的修改稿子。他是一位高師，高在他的語(yǔ)言功底，高在他對(duì)自己的嚴(yán)苛，高在他的堅(jiān)持不懈，還高在他的以身作則。

對(duì)軸瓦內(nèi)表面異常磨損處及其對(duì)應(yīng)的鋼背位置放大觀察，鋼背有微動(dòng)磨損痕跡。對(duì)鋼背凸起表面區(qū)域D進(jìn)行能譜分析(見(jiàn)圖4)，主要成分Sn含量占比超過(guò)50%。由此分析鋼背凸起為微動(dòng)磨損產(chǎn)生的材料遷移，主要是鍍錫層的遷移。測(cè)量新件軸瓦鋼背Sn層厚度存在Sn層不均勻情況，最高可達(dá)6μm以上(見(jiàn)圖5、6)。

3 故障分析排查

3.1 尺寸測(cè)量

軸徑和軸瓦在載荷作用下產(chǎn)生的彈力變形，有各自的動(dòng)力學(xué)方程求得。軸徑受油膜壓力和外載共同作用，其動(dòng)力學(xué)方程為：

該方法還具有良好的特異性，與牛乳中常見(jiàn)的其他小分子物質(zhì)無(wú)交叉反應(yīng)。不同人員采用筆者所建立的方法檢測(cè)氟甲喹加標(biāo)牛乳樣品，靈敏度無(wú)顯著差異，說(shuō)明該方法具有良好的穩(wěn)定性。金標(biāo)記生物膜干涉檢測(cè)技術(shù)具有良好的抗干擾能力，不同的樣品基質(zhì)對(duì)于檢測(cè)的靈敏性的干擾并不明顯，檢測(cè)不同牛乳中氯霉素的靈敏性均達(dá)到2.0 ng/mL。

油膜壓力作用下的軸瓦動(dòng)力學(xué)方程為：

3.2 有限元計(jì)算

從故障軸瓦瓦背觀察，存在軸瓦貼合問(wèn)題，通過(guò)有限元計(jì)算手段，仿真裝配、爆壓及最大慣性力工況，查核軸瓦貼合情況。

3.2.1 有限元模型搭建

軸瓦計(jì)算的有限元模型主要包括曲柄銷(xiāo)、連桿體、連桿蓋、連桿瓦、連桿螺栓、活塞銷(xiāo)等零部件。計(jì)算模型中的連桿網(wǎng)格均采用C3D8I類(lèi)型，連桿瓦和連桿體、連桿蓋之間為過(guò)盈配合，連桿瓦和曲柄銷(xiāo)之間為間隙配合，連桿襯套與連桿體之間為過(guò)盈配合，連桿襯套與活塞銷(xiāo)之間為間隙配合。根據(jù)試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果設(shè)置仿真模型參數(shù)。運(yùn)用Abaqus有限元軟件對(duì)連桿-軸瓦摩擦副進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)運(yùn)行工況選取仿真計(jì)算工況。連桿有限元仿真包括裝配工況、最大爆壓工況、最大慣性力工況。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

知識(shí)的螺旋上升理論，促使人們充分認(rèn)識(shí)到知識(shí)的資產(chǎn)價(jià)值，知識(shí)管理概念應(yīng)運(yùn)而生。這個(gè)時(shí)代，企業(yè)及各類(lèi)組織機(jī)構(gòu)均開(kāi)始重視組織內(nèi)員工間知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)、共享、傳播過(guò)程，從而構(gòu)建起各類(lèi)適于員工間共同學(xué)習(xí)、共享知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的各類(lèi)組織與管理平臺(tái)，如各類(lèi)學(xué)習(xí)小組，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，項(xiàng)目小組，以及專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)知識(shí)管理系統(tǒng)等。

有數(shù)據(jù)顯示，在美國(guó)每天就有5億支吸管被遺棄（這意味著每人每天大約1.5支的消耗量）。有專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)清理海灘垃圾的環(huán)保組織在一項(xiàng)研究中聲稱(chēng)，美國(guó)各地的海灘上每年廢棄的吸管大約有75億支之多。

通過(guò)有限元計(jì)算手段，得到裝配、爆壓及最大慣量力的工況，連桿瓦背取最小過(guò)盈量及曲軸彎曲的影響，底孔面壓如下圖8。裝配狀態(tài)瓦背與軸瓦接觸較均勻，且面壓平均值大于限值要求。爆壓狀態(tài)軸瓦內(nèi)孔面壓分布合理，未見(jiàn)較大區(qū)域邊緣載荷。

連桿瓦背與連桿間微動(dòng)磨損評(píng)估，連桿瓦與連桿體間滑移量較大，瓦背局部可能輕微磨損，位置詳見(jiàn)云圖9所示。由于Sn層相對(duì)硬度較低，厚度較大時(shí)承載能力不足，微動(dòng)磨損風(fēng)險(xiǎn)會(huì)進(jìn)一步加劇。

3.3 連桿瓦EHD仿真分析

3.3.1 EHD仿真分析理論

通過(guò)EHD計(jì)算評(píng)估，由圖11、圖12 所示，連桿軸瓦在大扭矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下軸瓦最大粗糙接觸壓力分別超過(guò)粗糙接觸壓力限值，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。位置與軸瓦中間實(shí)際位置相符。

本次計(jì)算采用是AVL公司軟件，該軟件模型考慮了軸徑與軸瓦間的彈性變形對(duì)局部間隙的影響、軸承表面粗糙度對(duì)微觀液力潤(rùn)滑的影響、軸徑傾斜、機(jī)油壓力、機(jī)油粘度、幾何邊界條件等多種因素對(duì)軸承潤(rùn)滑特性的影響，是一種較為精確的軸承潤(rùn)滑計(jì)算方法。

擴(kuò)展的雷諾方程的計(jì)算公式：

(1)

根據(jù)仿真計(jì)算及試驗(yàn)件拆檢測(cè)量的結(jié)果，重點(diǎn)從降低微動(dòng)磨損、優(yōu)化油孔位置兩方面入手，有針對(duì)性的提供解決措施。

按照軸瓦的設(shè)計(jì)原則，原則上當(dāng)軸瓦被正確安裝在連桿大頭底孔并壓緊時(shí)，應(yīng)該保證軸瓦和連桿底孔內(nèi)貼合良好，通過(guò)軸瓦半瓦凸出高度傳遞其壓緊力，使其軸瓦在連桿孔圓周方向產(chǎn)生適度的過(guò)盈配合，既不能造成連桿軸瓦壓潰產(chǎn)生變形又可以防止軸瓦在運(yùn)動(dòng)工況狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)。理想軸瓦安裝狀態(tài)，測(cè)量?jī)?nèi)輪廓應(yīng)符合圖7的要求

。

(2)

考慮到計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，提取第二個(gè)循環(huán)的計(jì)算結(jié)果。

對(duì)于故障機(jī)器，由于底孔磨損異常，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，故選擇未裝機(jī)的新連桿及新連桿瓦進(jìn)行尺寸測(cè)量，座孔尺寸以及半徑高尺寸均滿足圖紙要求，分別測(cè)量裝配前后大頭孔圓度無(wú)明顯異常。為何“合格”連桿及軸瓦在裝配后發(fā)生異常磨損情況，初步判斷和零部件尺寸無(wú)明顯相關(guān)性，需要進(jìn)一步詳細(xì)分析。

(3)

式中：

、

、

分別為軸瓦的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣；

為軸瓦位移。

擴(kuò)展的雷諾方程采用有限元差分法求解，彈性變形的動(dòng)力學(xué)方程采用有限元法求解，將彈性變形及表面粗糙度與油膜壓力、油膜厚度進(jìn)行耦合分析。將擴(kuò)展的雷諾方程解出的油膜壓力代入彈性變形動(dòng)力學(xué)方程，油膜壓力計(jì)入了接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸壓力，彈性變形方程可以計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的彈性變形，從而得出新的油膜厚度值，由此反復(fù)迭代，直至滿足收斂條件

。

對(duì)2組患者治療的療效(顯效:患者的舒張壓較治療前下降,下降在10mm Hg及以上,且已經(jīng)處于正常范圍,或其舒張壓下降20mm Hg及以上;有效:患者的舒張壓較治療前下降,下降不足10mm Hg,但是已經(jīng)處于正常范圍,或其舒張壓下降范圍為10mm Hg-19mm Hg,或其收縮壓下降在30mm Hg以上;無(wú)效:未達(dá)到以上指標(biāo)水平;以顯效率+有效率作為治療的總有效率)進(jìn)行觀察分析,同時(shí)對(duì)比2組治療前后血壓水平的差異性。

3

3

2 模型搭建

城市土地利用變化過(guò)程非常復(fù)雜，受許多不確定因素的影響，完全準(zhǔn)確的模擬其動(dòng)態(tài)變化是不現(xiàn)實(shí)的.在利用CA進(jìn)行城市土地利用變化模擬時(shí)，需要檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)際情況的吻合度.在評(píng)價(jià)模擬精度時(shí)，目前主要采用逐點(diǎn)對(duì)比和整體對(duì)比的評(píng)價(jià)方法[18].逐點(diǎn)對(duì)比評(píng)價(jià)法考慮每個(gè)元胞上模擬精度的差異，一般用總精度和卡帕系數(shù)表示模擬結(jié)果的可靠性.

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

對(duì)故障機(jī)型的連桿大頭軸承潤(rùn)滑特性建立分析模型，分析模型通過(guò)

_

搭建，模型中包括曲柄銷(xiāo)、連桿總成、活塞銷(xiāo)、氣缸套等組件，連接關(guān)系如圖10所示。

在連桿有限元模型中，將軸瓦表面和襯套表面節(jié)點(diǎn)以及連桿質(zhì)心定義為主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)縮減模型得到連桿總成的有限元結(jié)構(gòu)模型。曲柄銷(xiāo)和活塞銷(xiāo)均縮減為軸向的7個(gè)主節(jié)點(diǎn)，將軸瓦表面與曲柄銷(xiāo)的主節(jié)點(diǎn)建立點(diǎn)到面的連接關(guān)系，將襯套表面與活塞銷(xiāo)的主節(jié)點(diǎn)建立點(diǎn)到面的連接關(guān)系。根據(jù)實(shí)際潤(rùn)滑情況建立潤(rùn)滑邊界，軸瓦與曲柄銷(xiāo)之間是壓力潤(rùn)滑，襯套與活塞銷(xiāo)之間為飛濺潤(rùn)滑

。

根據(jù)試驗(yàn)運(yùn)行工況選取計(jì)算工況，本次計(jì)算主要針對(duì)大扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速兩個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果

式中：

為軸徑質(zhì)量；

為軸徑位移；

(

)為軸瓦與軸徑間的油膜壓力；

(

)為軸徑的外部載荷。

連桿大頭軸承是典型的徑向滑動(dòng)軸承，其工作時(shí)承受的載荷大小和方向是隨時(shí)間變化的。與穩(wěn)定軸承載荷不同，連桿大頭軸承的潤(rùn)滑分析是根據(jù)已知載荷大小和方向隨時(shí)間變化的情況，通過(guò)擴(kuò)展雷諾方程，考慮質(zhì)量守恒定律的機(jī)油填充率，從而確定軸承的潤(rùn)滑狀況。

3.4 總結(jié)分析

通過(guò)以上仿真分析，結(jié)論如下：

a)連桿軸瓦運(yùn)行面邊緣磨損(圖1中區(qū)域1/區(qū)域2/區(qū)域3/區(qū)域4)為鋼背微動(dòng)產(chǎn)生的鍍錫層遷移造成鋼背凸起導(dǎo)致，鋼背凸起使對(duì)應(yīng)的內(nèi)表面間隙減小處于邊界或混合潤(rùn)滑狀態(tài)，導(dǎo)致運(yùn)行面對(duì)應(yīng)位置磨損嚴(yán)重；鋼背鍍錫層厚度較大是使在滑移量較大的位置形成微動(dòng)磨損的主要原因；

b)連桿軸瓦運(yùn)行面中心位置(圖1中區(qū)域5)磨損為曲軸油孔位置選取不當(dāng)導(dǎo)致，需進(jìn)一步優(yōu)化曲軸連桿頸油孔位置。

4 優(yōu)化措施及效果

式中：

為油膜壓力；

為機(jī)油填充率；

為油膜厚度；

為機(jī)油動(dòng)力粘度；

、

分別為軸徑、軸瓦表面速度；

為時(shí)間；

為圓周方向坐標(biāo)；

為軸向坐標(biāo)。

采用軸承2先裝配的裝配過(guò)程，重載轉(zhuǎn)動(dòng)副可裝配性評(píng)價(jià)同理可得。通過(guò)可裝配性條件分析，便能得到基于可裝配性評(píng)價(jià)不同裝配過(guò)程的優(yōu)劣。上述評(píng)價(jià)方法將重載轉(zhuǎn)動(dòng)副裝配過(guò)程與可裝配性綜合考慮進(jìn)行研究。

4.1 降低微動(dòng)磨損

a)由于軸瓦表面Sn層厚度控制一致性較差，工藝更改用防銹油處理；

3) 缺乏竹產(chǎn)業(yè)鏈。埃塞的竹子企業(yè)要從采購(gòu)原竹和從國(guó)外采購(gòu)機(jī)器設(shè)備和其它膠水輔料開(kāi)始，初精加工全部由一個(gè)企業(yè)完成[2]。有些企業(yè)設(shè)備和管理落后，產(chǎn)品質(zhì)量欠佳，只能在埃塞國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售，質(zhì)量達(dá)不到國(guó)際市場(chǎng)上要求的標(biāo)準(zhǔn)。

b)提高軸瓦半瓦高度，進(jìn)一步提升軸瓦裝配過(guò)程中的過(guò)盈配合，加強(qiáng)軸瓦與連桿底孔的貼合。

4.2 更改曲軸連桿頸油孔位置

根據(jù)前期連桿EHD動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算，軸瓦最大粗糙接觸壓力超過(guò)設(shè)計(jì)限值，位置出現(xiàn)在曲柄銷(xiāo)油孔處，建議油孔位置由原來(lái)35°更改為58°，EHD計(jì)算結(jié)果顯示粗糙接觸壓力明顯改善，見(jiàn)圖13、圖14。

4.3 驗(yàn)證效果

采用優(yōu)化油孔角度的曲軸、無(wú)Sn層軸瓦進(jìn)行裝機(jī)耐久試驗(yàn)，拆機(jī)后軸瓦運(yùn)行良好，運(yùn)行面及鋼背均無(wú)異常接觸痕跡，達(dá)到理想效果，可見(jiàn)圖15，性能及可靠性指標(biāo)均滿足要求。

受地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、教育資源不均衡，尤其是高等教育資源分布不均衡的影響，雖然受教育水平的空間分布和聚集性在二十年后的2015年并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變，但就教育水平的提升而言，西部地區(qū)的平均受教育年限提升迅速。實(shí)證結(jié)果也顯示，財(cái)政轉(zhuǎn)移支付資金提升了較為落后的中西部地區(qū)的教育水平，也進(jìn)而推動(dòng)了全國(guó)范圍內(nèi)教育水平的趨同。對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)而言，經(jīng)濟(jì)的發(fā)達(dá)吸引了大量的人力資本流入，要素聚集效應(yīng)顯著，形成了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與教育水平提升互動(dòng)。如果對(duì)這一地區(qū)過(guò)多地進(jìn)行財(cái)政轉(zhuǎn)移支付，反而對(duì)教育水平的提升產(chǎn)生反效果。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及固化

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，給出了柴油機(jī)在苛刻條件運(yùn)行下軸瓦的實(shí)際狀態(tài)，軸瓦設(shè)計(jì)及油孔位置的影響，本文從工藝角度以及設(shè)計(jì)角度出發(fā)，為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿瓦的設(shè)計(jì)提供了新的一種思路。

有時(shí)壽司也真是討厭！這不，它明明在玩跑輪，我一去看它，它就停下來(lái)；我一走，它又開(kāi)始玩。也就是在這個(gè)時(shí)候，我想起了我的鷯哥和烏龜。壽司，我告訴你，你再這么討厭，以后就不會(huì)有那么好的待遇了！

(1)鍍層工藝的一致性對(duì)軸瓦的運(yùn)行起至關(guān)重要影響，Sn層硬度及承載能力低，厚度較大的情況下因微動(dòng)磨損而產(chǎn)生材料遷移，造成軸瓦的異常接觸，嚴(yán)重時(shí)造成化瓦故障。適當(dāng)提升軸瓦背壓有利于降低此風(fēng)險(xiǎn)。

(2)通過(guò)仿真計(jì)算，可有效判斷油孔位置是否合適，避免因油道位置不當(dāng)造成的軸瓦異常磨損故障，驗(yàn)證說(shuō)明了仿真計(jì)算分析對(duì)正向設(shè)計(jì)的重要性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，可有效避免類(lèi)似故障發(fā)生。

[1]張治國(guó)，趙世來(lái)《淺談發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦的失效模式 》(汽車(chē)實(shí)用技術(shù)).2019.05.15.

[2]于冬梅，高波，那長(zhǎng)沈，《發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦裝配后變形與異響關(guān)系分析》.制造業(yè)自動(dòng)化2012.12.10.

[3]宣衡艷，《汽車(chē)軸承的失效模式與預(yù)防研究》.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備2016.09.15.

[4]韋浩，高申德，吳玉國(guó)，梅加化，時(shí)禮平，《柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿 - 軸瓦摩擦副接觸變形的數(shù)值計(jì)算》. 軸承 2021.09.05.

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