潘月成,陸榮榮,倪成鑫,趙文仲,豆 剛
(安徽江淮汽車股份有限公司,安徽 合肥 230601)
柴油機(jī)拉缸是一種常見的惡性故障,輕者出現(xiàn)發(fā)動機(jī)功率下降、漏氣量增大、機(jī)油消耗增加、異響等等現(xiàn)象;重者甚至出現(xiàn)活塞破裂、擊穿缸體等重大事故。因此,柴油發(fā)動機(jī)的拉缸問題的分析與研究是柴油發(fā)動機(jī)設(shè)計人員的一項(xiàng)重要課題。
本文詳細(xì)闡述了拉缸故障產(chǎn)生的機(jī)理、原因以及預(yù)防拉缸產(chǎn)生的措施,并以某四缸柴油機(jī)為研究對象,對其拉缸故障進(jìn)行了分析研究。
拉缸實(shí)質(zhì)上就是嚴(yán)重的粘著磨損。當(dāng)缸孔和活塞環(huán)或缸孔與活塞之間油膜太薄或沒有形成油膜 時,摩擦副兩滑動表面易發(fā)生直接的金屬接觸,在高壓和快速滑動作用下,產(chǎn)生非常高的摩擦熱量,以致兩者接觸處發(fā)生顯微熔接,然后又被拉扯開,出現(xiàn)一個滑動面上的材料轉(zhuǎn)移粘附在另一個滑動面上或磨屑脫落的現(xiàn)象。
拉缸主要是由于油膜過薄導(dǎo)致金屬相接觸并在一定負(fù)荷作用下而發(fā)生的。油膜過薄的原因有兩方面:一是供油狀況不良,難以形成足夠的油膜厚度;二是竄氣或局部壓力過大,破壞了正常的油膜。因此,影響拉缸的主要因素有如下幾方面:
(1)磨合的質(zhì)量。拉缸經(jīng)常發(fā)生在磨合期,說明磨合質(zhì)量對拉缸影響很大。確保磨合質(zhì)量要從以下幾方面入手:選好潤滑油;選好磨合時間和負(fù)荷的分配情況。
(2)潤滑油的供給。活塞裙部拉缸的直接原因是斷油。斷油的原因之一是活塞環(huán)磨合不良造成的漏氣。另一原因是活塞裙部本身缺油。
(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計因素包括如下幾個方面。首先,整機(jī)布局及零部件結(jié)構(gòu)是否合理。例如氣缸的剛度,特別是動態(tài)剛度是否足夠其次是摩擦副材料表面性質(zhì)及其匹配情況如何。這一點(diǎn)對于氣缸套與活塞組之間的粘著磨損影響加龐大。
(4)運(yùn)行工況對拉缸的影響。對于拉缸來說,切忌工況劇烈變化。當(dāng)柴油機(jī)處于低速或空載運(yùn)轉(zhuǎn)時變到帶負(fù)荷工作,若過于急促,易引起拉缸。
某柴油機(jī)在市場上發(fā)生拉缸故障,經(jīng)過對故障件的整理與調(diào)查,在故障機(jī)拆解及相關(guān)故障數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn),所有故障機(jī)油底殼機(jī)油量均位于機(jī)油標(biāo)尺下線位置甚至低于下線;進(jìn)排氣道有大量積碳,存在燒機(jī)油現(xiàn)象;活塞的失效模式表現(xiàn)為裙部拉傷或頭部、裙部均拉傷,且多數(shù)活塞拉傷位置為裙部長短軸之間45°方向(如圖1所示)。
表1 缸孔珩磨網(wǎng)紋數(shù)據(jù)
根據(jù)拉缸故障產(chǎn)生的機(jī)理、故障現(xiàn)象及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),并針對活塞裙部45°方向拉傷的故障現(xiàn)象進(jìn)行原因分析后認(rèn)為活塞裙部45°方向拉傷是典型的拉缸現(xiàn)象,主要原因可能是:
(1)油底殼機(jī)油量不足導(dǎo)致主油道壓力降低,活塞冷卻噴嘴流量降低而影響活塞與缸孔壁之間的潤滑,進(jìn)而導(dǎo)致拉缸。
(2)活塞環(huán)刮油能力過強(qiáng)造成活塞與缸孔壁之間的潤滑不良。
(3)缸孔珩磨質(zhì)量不合格導(dǎo)致活塞與缸孔壁潤滑不良。
(4)活塞橢圓度不合理。
在拆機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)故障機(jī)油底殼機(jī)油量位于機(jī)油標(biāo)尺下線位置,可能會導(dǎo)致在個別工況下發(fā)動機(jī)機(jī)油泵吸空,進(jìn)而導(dǎo)致主油道壓力降低,活塞冷卻噴嘴流量降低,活塞與缸孔壁潤滑不良。經(jīng)過分析,車輛在上行坡度為45%時所需油底殼內(nèi)機(jī)油量最多,為2.9L。而當(dāng)油底殼機(jī)油量位于標(biāo)尺尖部時,油底殼內(nèi)機(jī)油量為3.3L,即車輛在上行45%的坡度時,如果油底殼內(nèi)機(jī)油位于標(biāo)尺下限位置,那么機(jī)油泵就不會吸空,主油道壓力也不會降低。所以機(jī)油量少并不能導(dǎo)致活塞與缸孔壁潤滑不良,不是該柴油機(jī)拉缸的原因。
如果活塞油環(huán)刮油能力過強(qiáng),將會導(dǎo)致缸孔壁上潤滑油量過少,進(jìn)而導(dǎo)致缸孔壁與活塞潤滑不良。而油環(huán)的面壓值是量化油環(huán)刮油能力的參數(shù),油環(huán)面壓的設(shè)計主要取決于發(fā)動機(jī)的爆壓、機(jī)油耗及摩擦損失等參數(shù),通常設(shè)計值為1.5~2.0MPa,而該柴油機(jī)活塞油環(huán)的面壓設(shè)計值為1.88MPa,與其它相似機(jī)型對比可以看出油環(huán)面壓處于合理的設(shè)計范圍內(nèi)。所以活塞環(huán)刮油能力過強(qiáng)不是該柴油機(jī)拉缸的原因。
如果缸孔珩磨質(zhì)量不合格,會導(dǎo)致網(wǎng)紋儲油能力下降,進(jìn)而影響活塞與缸孔壁之間的潤滑。表1是近期缸孔珩磨網(wǎng)紋參數(shù)數(shù)據(jù),由表1可以看出缸孔珩磨網(wǎng)紋參數(shù)合格。取樣時珩磨頭已經(jīng)加工一千余臺,目前生產(chǎn)線上珩磨頭更換周期為3000臺/次,為檢驗(yàn)缸孔珩磨質(zhì)量的穩(wěn)定性,后期將繼續(xù)調(diào)查在加工2500~3000臺缸體時缸孔的珩磨質(zhì)量。
表1 缸孔珩磨網(wǎng)紋數(shù)據(jù)
活塞的裙部的橢圓度一般在0.30~0.65mm,這樣活塞在受熱時,變成圓形,與氣缸周圍間隙均勻。如果橢圓度設(shè)計不當(dāng),導(dǎo)致活塞裙部受力膨脹,其與缸孔的配合間隙降低,破壞潤滑油膜而導(dǎo)致拉缸。圖3為活塞裙部的橫向變形圖。該發(fā)動機(jī)活塞裙部的橢圓度為0.30mm,活塞裙部與活塞銷軸方向成45°處收縮量為0.075mm,此數(shù)值與設(shè)計經(jīng)驗(yàn)值(0.1mm)相比偏小,容易造成活塞裙部45°方向的配缸間隙小,造成此處拉缸。
圖2 活塞裙部變形示意圖
依據(jù)以上分析,將活塞裙部橢圓度由0.3mm改為0.4 mm,修改后的活塞裙部45°方向收縮量由0.075mm增大到0.1mm,如表2所示,半徑相差0.025mm,直徑方向相差0.05mm,可以有效降低活塞裙部45°方向拉缸的風(fēng)險。
表2 不同橢圓度下的裙部收縮量
針對兩種活塞方案進(jìn)行FEA對比分析,通過分析可知,橢圓度增大的活塞裙部主推力側(cè)受力受力較均勻,未出現(xiàn)局部受力過大情況,而原方案活塞的裙部上方存在受力集中的現(xiàn)象,說明新方案的活塞裙部受力分布更加均勻。
圖3 活塞裙部受力云圖
原方案的活塞裙部受力峰值為23MPa,而裙部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的新方案活塞裙部受力峰值為10MPa,大大降低的活塞裙部的載荷,進(jìn)一步降低活塞裙部拉缸的風(fēng)險,節(jié)點(diǎn)受力情況如圖4所示。
圖4 活塞裙部節(jié)點(diǎn)受力情況
經(jīng)過拉缸試驗(yàn)后,拆機(jī)發(fā)現(xiàn)此發(fā)動機(jī)四缸活塞均未出現(xiàn)拉傷現(xiàn)象,且缸孔狀態(tài)良好。在后期市場調(diào)研及跟蹤過程中未發(fā)現(xiàn)此柴油機(jī)出現(xiàn)拉缸故障。
造成發(fā)動機(jī)拉缸的主要原因是由于活塞裙部橢圓度偏小,活塞在承受熱載荷和機(jī)械載荷的情況下裙部膨脹,由于裙部與缸孔之間配合間隙不合理導(dǎo)致發(fā)動機(jī)拉缸。因此通過增大活塞裙部橢圓度,使活塞在運(yùn)行過程中可以保證活塞裙部與缸孔之間潤滑油膜的建立,由此解決了發(fā)動機(jī)拉缸的問題。