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        某型號天然氣發(fā)動機(jī)搖臂軸孔異常磨損失效分析

        2019-10-21 10:16:52時保帆王炳成趙立普程祥軍
        時代汽車 2019年1期
        關(guān)鍵詞:搖臂磨損

        時保帆 王炳成 趙立普 程祥軍

        摘 要:針對某型號天然氣發(fā)動機(jī)試驗過程中搖臂的搖臂軸孔與搖臂軸異常磨損失效,從多個角度進(jìn)行排查分析。最終確定故障原因為冷態(tài)氣門間隙過小,導(dǎo)致熱態(tài)時,高的熱負(fù)荷下氣門相對氣缸蓋膨脹量超過冷態(tài)氣門間隙,使搖臂軸孔下部與搖臂軸一直處于接觸狀態(tài),潤滑油潤滑不良,引起搖臂軸孔異常磨損。通過調(diào)整氣門間隙措施并進(jìn)行試驗驗證,問題得以解決。

        關(guān)鍵詞:天然氣發(fā)動機(jī);搖臂;磨損;熱膨脹量

        1 引言

        搖臂與搖臂軸是發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的重要零部件,搖臂的搖臂軸孔與搖臂軸的異常磨損會導(dǎo)致配機(jī)構(gòu)功能失效,最終影響發(fā)動機(jī)整體性能。相對于傳統(tǒng)燃料發(fā)動機(jī),天然氣發(fā)動機(jī)具有熱負(fù)荷高的特點,配氣機(jī)構(gòu)各部件更容易出現(xiàn)熱負(fù)荷導(dǎo)致的異常磨損等故障。

        2 故障現(xiàn)象

        某型號天然氣發(fā)動機(jī)完成試驗后,拆檢發(fā)現(xiàn)排氣搖臂軸孔磨損嚴(yán)重,進(jìn)氣搖臂軸孔未見異常。如圖1、圖2所示為排氣搖臂軸孔磨損情況。

        各缸進(jìn)排氣搖臂軸孔磨損量測量結(jié)果見表1所示,從測量結(jié)果看,排氣搖臂軸孔磨損量明顯大于進(jìn)氣搖臂軸孔。

        3 故障原因初步分析

        根據(jù)拆檢情況,所有排氣搖臂軸孔均出現(xiàn)明顯異常磨損,而進(jìn)氣搖臂軸孔磨損未見異常。潤滑不良可能為導(dǎo)致異常磨損的直接原因,而導(dǎo)致潤滑不良的原因會有多種可能性,比如加工質(zhì)量不合格或油孔堵塞不順暢,從而供油不良??紤]到天然氣發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷較高,零部件熱膨脹量大也可能導(dǎo)致配合間隙過小而使?jié)櫥蛔?。同時,若零部件材料不合格或者熱處理工藝不合格也可能導(dǎo)致接觸面硬度不足而導(dǎo)致異常磨損。

        3 故障分析

        3.1 故障模式判定

        從拆檢情況看,各缸排氣搖臂軸孔均出現(xiàn)了較為明顯的異常磨損,而進(jìn)氣搖臂軸孔未見異常,具體情況見圖1、圖2。

        3.2 建立故障樹

        從各個角度考慮,建立零部件失效分析故障樹,如圖3所示。

        3.3 故障排查

        3.3.1 潤滑不良

        對搖臂軸進(jìn)行解剖,檢查油孔是否順暢。同時,測量搖臂軸和油孔關(guān)鍵部位尺寸,以排查是否零部件加工質(zhì)量不合格導(dǎo)致油路不順暢,供油不足從而導(dǎo)致異常磨損。

        搖臂軸沿軸向方向解剖圖見圖4所示,從圖中結(jié)果看,排氣側(cè)搖臂油道通暢,油道內(nèi)清潔無異物附著等,不存在加工質(zhì)量問題和油孔堵塞問題;搖臂軸和搖臂軸孔尺寸測量結(jié)果見表2、表3所示,各關(guān)鍵尺寸均符合圖紙要求。

        根據(jù)解剖結(jié)果和尺寸測量結(jié)果可排除零部件油孔不暢通和加工質(zhì)量不合格導(dǎo)致異常磨損的情況。

        3.3.2 材料分析

        對磨損表面使用電子顯微鏡進(jìn)行放大觀察,以進(jìn)行磨損表面形貌分析,磨損形貌圖見圖5。

        經(jīng)材料分析結(jié)果分析,搖臂軸孔與搖臂軸的磨損形式為磨粒磨損。搖臂和搖臂軸的硬度結(jié)果滿足圖紙要求。搖臂軸的白亮層厚度略超技術(shù)要求,見圖6,經(jīng)分析不是此次失效的主要原因。

        經(jīng)過分析,可排除材料不合格導(dǎo)致異常磨損的情況。

        3.3.3 溫度場計算分析

        對氣缸蓋和氣門座圈熱變形進(jìn)行有限元計算,結(jié)果見圖7、圖8和表4所示。

        對排氣門的熱變形進(jìn)行有限元計算,結(jié)果見圖9和表5所示。

        通過有限元計算分析,氣缸蓋和排氣門的熱變形量較大,綜合變形量在0.7mm左右。冷態(tài)氣門間隙為0.6mm,在熱態(tài)時,不足以彌補(bǔ)此熱變形量。

        3.3.4 熱態(tài)氣門間隙分析

        如果氣門間隙過小,在發(fā)動機(jī)工作過程中,由于熱膨脹使搖臂軸與搖臂軸孔間隙過小,會導(dǎo)致潤滑油供油不暢而發(fā)生異常磨損。因此現(xiàn)從熱態(tài)時氣門間隙方面進(jìn)行排查。

        根據(jù)以下原理進(jìn)行氣門工作間隙測量:凸輪軸凸輪進(jìn)入工作段前,首先要消除氣門間隙,氣門間隙越大,凸輪實際工作角越小。通過推桿應(yīng)變信號波形測量出凸輪實際工作角,從而得到氣門的工作間隙,試驗結(jié)果見圖10所示。

        從圖中可知,當(dāng)冷態(tài)排氣門氣門間隙為0.56mm時,熱態(tài)狀態(tài)下排氣門氣門間隙為0mm。采用相同的方法,將冷態(tài)排氣門氣門間隙增大為0.8mm時,得到熱態(tài)狀態(tài)下排氣門氣門間隙為0.15mm左右。也就是說,排氣門相對缸蓋的熱態(tài)膨脹量為0.65mm左右。

        由此可知,冷態(tài)排氣門氣門間隙小,熱態(tài)時,排氣門相對缸蓋的熱態(tài)膨脹量大于冷態(tài)排氣門氣門間隙。這種狀態(tài)下,排氣搖臂軸孔下部與搖臂軸一直處于接觸狀態(tài),導(dǎo)致潤滑油供油不足,潤滑不良,是產(chǎn)生搖臂軸孔異常磨損的根本原因。

        為了驗證以上分析,將排氣門氣門間隙調(diào)整為0.8mm,進(jìn)行試驗驗證。試驗后,拆檢各缸排氣搖臂進(jìn)行檢查,搖臂軸孔均未出現(xiàn)異常磨損情況,拆檢照片見圖11所示。

        根據(jù)拆檢情況,驗證了通過調(diào)整氣門間隙可以解決該問題。

        4 結(jié)語

        本文通過分析,得出以下結(jié)論:

        (1)冷態(tài)情況下排氣門氣門間隙過小,會導(dǎo)致天然氣發(fā)動機(jī)搖臂軸孔異常磨損。

        (2)天然氣發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷高,冷態(tài)情況下排氣門氣門間隙過小,在熱態(tài)情況時,排氣門相對缸蓋的熱態(tài)膨脹量超過冷態(tài)氣門間隙,使排氣搖臂軸孔下部與搖臂軸一直處于接觸狀態(tài),搖臂軸孔潤滑不足,導(dǎo)致異常磨損。

        (3)通過調(diào)整冷態(tài)下排氣門氣門間隙,可以解決因熱負(fù)荷引起的搖臂軸孔異常磨損問題。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張俊紅.汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造.天津:天津大學(xué)出版社,2008.193~197

        [2]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.173~178.

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