柴油機搖臂與搖臂軸粘連原因分析及改進

張皓鈺

重慶濰柴發(fā)動機有限公司 重慶 402260

1 序言

柴油機搖臂為雙臂杠桿結(jié)構(gòu)，將推桿傳來的力改變方向后作用到氣門桿端，打開氣門。由于搖臂的工作狀況，易在搖臂內(nèi)孔處產(chǎn)生磨損，故在設(shè)計時應(yīng)注重摩擦副的潤滑。對于不裝配襯套的搖臂，搖臂內(nèi)孔直接與搖臂軸接觸，更易產(chǎn)生磨損。為保證潤滑油膜的建立，搖臂內(nèi)孔與搖臂軸的加工控制也至關(guān)重要[1]。

2 故障描述

2021年上半年，某型中速柴油機在廠內(nèi)出廠試驗時，接連發(fā)生多臺配氣機構(gòu)的搖臂內(nèi)孔粘連、搖臂與搖臂軸粘連等故障（見圖1和圖2），直接影響該型柴油機出廠試驗和完工交付。

圖1 搖臂內(nèi)孔粘連故障

圖2 搖臂軸粘連故障

3 故障原因分析

該機型為2008年設(shè)計開發(fā)的產(chǎn)品，已生產(chǎn)銷售上千臺，搖臂與搖臂軸首次發(fā)生這樣的批量粘連故障，應(yīng)排除產(chǎn)品設(shè)計原因，主要從生產(chǎn)過程控制和零部件質(zhì)量上查找原因。為快速查找故障原因，產(chǎn)品設(shè)計協(xié)調(diào)質(zhì)量、工藝、采購和車間共同參與分析、解決。

（1）零件質(zhì)量檢驗 對故障件及同批次的搖臂、搖臂軸進行檢驗確認(rèn)，圓柱度、表面粗糙度、尺寸公差和硬度等均符合圖樣要求，沒有發(fā)現(xiàn)問題。測量搖臂端面的垂直度分別為0.107mm和0.134mm，均超出設(shè)計規(guī)范的0.05mm，但是搖臂裝配后的軸向間隙實測值為0.83mm和0.64mm，遠(yuǎn)大于垂直度實測值，因此搖臂端面垂直度超差不是造成粘連的原因。

（2）飛邊、毛刺排查 排查過程中發(fā)現(xiàn)該批搖臂內(nèi)孔油槽邊緣有飛邊、毛刺（見圖3），懷疑這是搖臂與搖臂軸粘連的原因；但現(xiàn)場返修去飛邊、毛刺后，恢復(fù)裝機試驗時搖臂與搖臂軸還是粘連，因此排除該原因。

圖3 搖臂內(nèi)孔油槽邊緣有飛邊、毛刺

（3）清潔度排查 緊接著排查零件清潔度，在做清潔度檢查時意外發(fā)現(xiàn)搖臂軸油孔中有少量加工殘留的切屑（見圖4），懷疑是切屑造成粘連。但是將搖臂軸油孔清洗干凈后，裝上去試驗還是粘連，因此排除清潔度原因。

圖4 搖臂軸油孔清理出的切屑

（4）零部件供方和批次排查 從搖臂和搖臂軸的供方以及批次方面排查，發(fā)現(xiàn)：搖臂軸由A供方更換為B供方，還是粘連，因此排除搖臂軸供方原因，同時也可以排除搖臂軸批次原因。我們又將搖臂故障件供方2018年生產(chǎn)的庫存搖臂拿來試驗，未發(fā)現(xiàn)粘連，因此鎖定是搖臂批次差異導(dǎo)致，進一步確認(rèn)屬零件質(zhì)量問題。

（5）搖臂差異對比檢驗 對2018年的庫存搖臂和2021年的故障件搖臂進行對比檢驗（見表1），材料化學(xué)成分、內(nèi)孔表面硬度、內(nèi)孔表層組織均合格且差異不大；內(nèi)孔表面粗糙度均合格，且故障件還要高出庫存件2個等級；故障件內(nèi)孔圓柱度合格，而庫存件內(nèi)孔圓柱度超差。因此搖臂內(nèi)孔表面粗糙度和內(nèi)孔圓柱度都不是粘連的原因。

表1 庫存搖臂與故障件搖臂對比檢驗結(jié)果

（6）對表面粗糙度排查 由于表面磷化處理能提高初期磨合，可大大降低初期銷孔與軸咬合的風(fēng)險[2]，因此討論決定將搖臂增加磷化處理工藝進行試驗。經(jīng)試驗，磷化處理的搖臂沒有粘連（見圖5），磷化工藝確實解決了當(dāng)前面臨的搖臂與搖臂軸初期粘連問題。

圖5 磷化處理的搖臂沒有粘連

經(jīng)對比檢驗，磷化后的搖臂內(nèi)孔表面粗糙度值Ra為0.605μm，庫存不粘連的搖臂內(nèi)孔表面粗糙度值Ra為0.316μm，而故障件搖臂內(nèi)孔表面粗糙度值Ra為0.05μm。表面粗糙度差異是我們在故障分析過程中發(fā)現(xiàn)的一條重要線索，因此懷疑是表面粗糙度值過小、搖臂內(nèi)孔表面的潤滑能力下降而導(dǎo)致的初期粘連。

聯(lián)系供方做了一批內(nèi)孔表面不做滾壓光整處理的搖臂，表面粗糙度值Ra為0.467～0.891μm，裝機試驗后進行拆檢，發(fā)現(xiàn)搖臂與搖臂軸依然粘連（見圖6），因此表面粗糙度值小（表面質(zhì)量好）并不是粘連的根本原因。

圖6 降低表面粗糙度要求的搖臂試驗后仍粘連

（7）對搖臂加工工藝進行排查 2018年的庫存搖臂內(nèi)孔表面粗糙度和圓柱度精度都較差，而2021年的故障件內(nèi)孔表面質(zhì)量都非常好，對于這個問題，經(jīng)與供方工藝人員進一步確認(rèn)，原先搖臂內(nèi)孔表面粗糙度和圓柱度經(jīng)常超差，供方于2021年11月對加工工藝進行了改進，內(nèi)孔精加工由珩磨加滾壓改為精鏜加滾壓，工藝改進后搖臂內(nèi)孔質(zhì)量達到圖樣要求。

搖臂內(nèi)孔這兩種加工工藝究竟有什么本質(zhì)區(qū)別呢？通過查閱相關(guān)資料可知，金屬機械加工并不改變金屬的物理特性[3]，但是從不同加工工藝時搖臂內(nèi)孔100倍放大圖像上可以看出，珩磨的搖臂內(nèi)孔表面形成較深的網(wǎng)狀溝槽（見圖7），這種溝槽能夠儲存潤滑油，非常有利于在搖臂和搖臂軸的運動副之間形成潤滑油膜。精鏜的內(nèi)孔表面只有平行且較淺的溝槽（見圖8），這樣的結(jié)構(gòu)不利于儲存潤滑油和形成油膜，因此搖臂與搖臂軸因干摩擦而相互咬合、發(fā)生粘連。磷化處理的搖臂內(nèi)孔表面有一層磷酸鹽多孔薄膜（見圖9），這一多孔薄膜同樣有儲油、減少摩擦的作用，對防止初期咬合粘連有作用，這就解釋了磷化能臨時解決搖臂與搖臂軸粘連的機理。

圖7 珩磨內(nèi)孔100倍放大圖

圖8 精鏜內(nèi)孔100倍放大圖

圖9 磷化內(nèi)孔100倍放大圖

4 解決方案

根據(jù)上述分析，我們鎖定搖臂與搖臂軸粘連的根本原因是搖臂內(nèi)孔加工工藝發(fā)生變化，由珩磨加滾壓改為精鏜加滾壓，搖臂內(nèi)孔失去了珩磨形成的網(wǎng)狀溝槽、喪失了儲存潤滑油的功能，造成搖臂與搖臂軸因干摩擦而相互咬合、發(fā)生粘連[4]。我們聯(lián)系供方將搖臂內(nèi)孔加工工藝恢復(fù)成原來的珩磨加滾壓，通過裝機進行出廠試驗和500h耐久試驗，搖臂與搖臂軸都正常接觸，沒有再發(fā)生咬合、粘連故障（見圖10～圖13）。后我們又與供方一起，重點對搖臂內(nèi)孔表面粗糙度和圓柱度進行工藝攻關(guān)，現(xiàn)已滿足圖樣要求。

圖10 加工工藝恢復(fù)后做完出廠試驗的搖臂內(nèi)孔

圖11 加工工藝恢復(fù)后做完出廠試驗的搖臂軸

圖12 加工工藝恢復(fù)后做500h耐久試驗的搖臂內(nèi)孔

圖13 加工工藝恢復(fù)后做500h耐久試驗的搖臂軸

綜上，該型柴油機配氣機構(gòu)搖臂與搖臂軸咬合、粘連問題，通過搖臂內(nèi)孔加工工藝恢復(fù)得以徹底解決。

5 結(jié)束語

實施臨時改進措施和恢復(fù)搖臂內(nèi)孔加工工藝后問題得以解決，總結(jié)如下。

1）磷化處理的零件表面會形成一層磷酸鹽多孔薄膜，該結(jié)構(gòu)有儲油、減少摩擦的作用，能夠提高磨合性，對防止鋼件運動副初期咬合、粘連有顯著效果。

2）珩磨加工的零件表面，能形成較深的網(wǎng)狀溝槽，這種溝槽能夠儲存潤滑油，非常有利于在運動副之間形成潤滑油膜，能防止運動副表面因干摩擦而相互咬合、發(fā)生粘連。

3）對于成熟的零件，任何一項更改都要充分識別風(fēng)險，不能忽視細(xì)微的差別，一有不慎，后患無窮。