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        內(nèi)燃機(jī)滑動軸承磨損機(jī)理及失效分析

        2021-09-10 09:14:34賈文靜
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2021年10期
        關(guān)鍵詞:失效內(nèi)燃機(jī)

        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,以及人們對滑動軸承潤滑機(jī)理研究不斷深入,潤滑設(shè)計(jì)在實(shí)踐中不斷完善,對內(nèi)燃機(jī)滑動軸承抗磨損性、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,采取針對性解決措施,減少滑動軸承磨損,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)滑動軸承磨損失效。

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

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

        0? 引言

        內(nèi)燃機(jī)滑動軸承是機(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,采取針對性解決措施,對滑動軸承使用可靠性至關(guān)重要。

        1? 內(nèi)燃機(jī)滑動軸承磨損機(jī)理

        針對機(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,在其表面相對運(yùn)動下被撕裂。同時(shí),微凸體實(shí)際運(yùn)動過程中,易出現(xiàn)劃傷、碰撞等。因此,滑動軸承處于磨合階段,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)動副表面在接觸下形成一定相對運(yùn)動,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)滑動軸承磨損失效分析

        3.1 滑動軸承損壞形式及失效

        滑動軸承工作具有平穩(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。一般針對滑動軸承失效分析,是針對處于非正常狀態(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?;瑒虞S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)?。②生產(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,滑動軸承損壞現(xiàn)象是綜合性成結(jié)果,所以對其進(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、有針對性采取預(yù)防措施[4]。

        3.2 內(nèi)燃機(jī)滑動軸承損壞現(xiàn)象及其對策

        內(nèi)燃機(jī)滑動軸承損壞現(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,并采取針對性改進(jìn)措施,提高滑動軸承運(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),估測未來磨損趨勢。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,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):

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