車用再制造發動機驗收檢驗臺架磨合規范試驗研究

姜大海，王 虎，安相璧，陳成法，葛紀桃

(軍事交通學院汽車工程系，天津300161)

不同于發動機大修，發動機再制造是將舊發動機按照再制造標準，經過嚴格的再制造工藝，使各項性能指標達到或超過新機標準的過程［1］。再制造一般分為恢復型再制造和升級型再制造:恢復型再制造只對其原有性能進行恢復，再制造后基本達到原機水平;升級型再制造是對發動機部分或全部性能進行升級，升級后總體性能超過原機。

再制造發動機各零部件由于加工水平和設備精度所限總會留下表面缺陷和幾何形狀誤差，經過磨合后才能達到最佳狀態。如按照新車使用手冊中規定的低負荷、低轉速磨合工況進行磨合，勢必增加驗收時間和成本。原機磨合規范屬于重要的技術資料，非生產原機的再制造企業很難獲取，即使受到原機生產廠家的技術支持，由于制造工藝不同，原機磨合規范未必適用于再制造發動機的磨合;因此，研究適用于再制造發動機的快速磨合規范尤為必要。筆者以經過恢復型再制造的CA6102和EQ6100發動機為研究對象，通過發動機試驗并結合相關資料，總結出合理的快速磨合規范。

1 再制造發動機新品動力性能

隨著國內再制造發動機產量的不斷增加，產品質量越來越受到人們的重視，其中動力性能是發動機驗收檢驗的重要指標之一。按照文獻［2］中規定的試驗方法，筆者對未經過磨合的再制造發動機進行了動力性能測試，結果如表1所示。在本文中，“比率”為測試值與標定指標的比值。原機動力指標的合格標準為:測試值不低于標定指標的95%并且不高于標定指標的105%。表1試驗數據表明:再制造發動機產品的動力性能達不到原機標準，相差較大。筆者分析后認為:發動機沒有經過充分磨合是性能不達標的重要原因之一。

表1 再制造發動機新品動力性能試驗結果

發動機在再制造過程中主要采用先進的表面工程技術將因磨損、腐蝕、劃傷而失效的零部件重新制造成具有新品性能的零部件［1］。然而恢復零部件的原配合尺寸最終還需要經過機械加工，機加工后的零部件摩擦表面粗糙度較大，遠達不到運行時的配合要求，僅僅通過出廠前的冷磨熱試及短時間初期磨合，無法使配合表面的粗糙度達到最佳，只有通過有效的磨合，才能保證性能測試結果準確、有效。

2 再制造發動機磨損規律

發動機內部摩擦表面具有一定的磨損規律，磨合規范的制定必須以遵循磨損規律為前提。從整體上講，發動機內部零件磨損失效的過程可以分為3個階段，如圖1所示。圖1中:t1為磨合磨損階段，其磨損率隨時間增加而降低;t2為穩定磨損階段，其磨損率基本保持不變，屬于正常工作階段的磨損;t3為破壞性磨損階段，其磨損率急劇增大，工作條件迅速惡化直至完全失效。其中，磨損率為單位時間內的磨損量。如果把t1階段再進一步細分，又可以分為3個階段，如圖2所示。圖2中Ⅰ區為摩擦副精加工階段完成的磨合;Ⅱ區為出廠前在廠內完成的磨合即臺架磨合階段;Ⅲ區為出廠后用戶完成的走合階段。圖2反映了發動機內部初期的磨損規律:Ⅰ區和Ⅱ區階段新摩擦副表面具有一定的粗糙度，真實接觸面積較小，磨損速度較快，磨粒較大;隨著磨合過程進行到Ⅲ區階段，表面粗糙度值逐漸下降，內部零件接觸面積變大，磨損速度慢慢降低，磨粒細化，承載能力提高［3］。

圖1 磨損曲線

圖2 初期磨合過程

再制造發動機遵循圖1、2所示的摩擦磨損規律，磨合過程可以改善內部零部件配合關系，使其能承受額定載荷，達到最佳的動力性和經濟性［4］。表面工程技術是發動機內部零部件配合尺寸恢復的主要工藝技術，而表面工程技術修復后的表面具有高抗磨、高抗蝕和低摩擦的特性［5］，這說明相同條件下再制造發動機比原型新機磨損要慢。采用模擬道路條件下的中小負荷循環磨合，既有助于研究再制造發動機的最佳動力性能，也利于研究其磨合期的磨損規律，并為最終制定快速高效的磨合規范打下理論基礎。

3 再制造發動機小負荷磨合試驗

3.1 試驗條件

試驗所使用的試驗設備為啟測EMC900發動機測控系統，測功器型號為DW350。測功器技術參數如下:最大測試扭矩為1 980 N·m，最大測試轉速為5 000 r/min，最大測試功率為350 kW。試驗及磨合過程中，油溫及水溫應控制在原機所要求的正常工作范圍內，試驗過程始終都不得對發動機和測試設備進行調整。試驗所使用的CA6102與EQ6100再制造發動機均為已入庫的待驗收產品，入庫前僅經過簡單的熱磨合。

3.2 試驗方法

為模擬新車在道路條件下的小負荷磨合狀況，特制定了如圖3所示的磨合方案。與道路條件不同的是該磨合過程更具規律性。圖3中:初始磨合轉速為1 100 r/min，每隔6 min增加400 r/min，最高轉速為2 700 r/min;初始負荷率為10%，轉速每完成一個循環，負荷率增加10%，負荷率最大時僅達到各轉速下的50%。一個磨合循環需要125 min，根據該型號發動機匹配車型的新車走合要求［6］，換算成臺架運行時間，需要16 h以上，因此整個磨合過程擬進行8個磨合循環。

圖3 再制造發動機小負荷循環磨合規范

表1所示的4臺發動機編為第1組，然后分別隨機抽取CA6102與EQ6100各2臺并編為第2組，2組發動機都按照如圖3所示的磨合方案進行磨合。第1組按照每隔2個磨合循環(250 min)測試1次動力性能的方式進行，第2組則在磨合8個循環后只進行一次動力性能測試。通過分組對比試驗，一方面考察磨合方案的合理性，另一方面研究短時間的動力性能測試對發動機造成的影響。另外，試驗還將驗證再制造發動機能否達到原機標定指標。

3.3 試驗結果及分析

第1組發動機動力性能試驗結果的變化情況如圖4、5所示。從圖中可以看出:發動機的動力性能隨磨合時間的變化逐漸變好，而且最初的2個磨合循環性能變化更為顯著。經過6個磨合循環后，發動機動力性能指標基本上不再變化。磨合過程結束后，第1組與第2組再制造發動機的動力性能試驗結果分別如表2、3所示，可見所有數據的比率均在95%～105%之間。

圖4 再制造發動機最大功率變化曲線

圖5 再制造發動機最大扭矩變化曲線

表2 第1組再制造發動機動力性能最終測試結果

表3 第2組再制造發動機磨合后的動力性能測試結果

2組發動機對比試驗的結果表明:1)再制造發動機遵循圖3所示初期磨損規律，隨著磨合的進行，內部的磨損量逐漸降低并趨于穩定，各摩擦表面的粗糙度逐漸接近最佳;2)短時間的動力性能測試對最終磨合效果的影響并不明顯，但也不排除試驗中所使用的發動機數量太少或者試驗設備的精度不夠所致;3)所有再制造發動機動力性能的比率均在95%～105%之間，完全能夠達到原機指標，也充分驗證了文獻［1］對再制造發動機的定義。

4 快速磨合規范

圖3所示的磨合方案雖然磨合效果較好，而且也不會破壞發動機內部的摩擦副表面，但是磨合時間過長，直接增加了檢驗成本和檢驗時間。因此，制定合理的驗收檢驗快速磨合規范尤為必要。

4.1 磨合工藝的影響因素

影響磨合工藝的因素有許多，國外在這方面做了大量的研究。歸納起來，影響磨合的因素主要有以下幾個方面［3－5，7－9］:1)機械加工表面的粗糙度;2)零部件的材質;3)零件的形貌特征;4)形位公差;5)裝配清潔度;6)潤滑油類型;7)磨合規范。同時，磨合規范因素又受其他因素的影響，例如，一些國外企業發動機出廠磨合時間比國內要少一半以上，甚至像BMW等一些知名公司生產的發動機不經磨合直接出廠，其中一個重要的原因就是其機械加工質量已經達到了極高的水平。此外，磨合規范還受零部件的材質、裝配清潔度、潤滑油類型等因素的影響。因此，必須綜合考慮各種因素并在試驗的基礎上制定合理的驗收檢驗磨合規范。

4.2 規范的制定

由于磨合初期摩擦表面粗糙度值較大，即使在轉速和負荷較小的情況下，磨損量依然很大;因此，規范應按照轉速與負荷逐漸遞增的方式進行。研究表明:在轉速和負荷條件不變的情況下，磨損速度逐漸減小。圖6為某發動機的磨合曲線［10］，從中可以看出:在各個磨合階段，磨合速度最快的一段時間出現在調整轉速以后，即OA、BC、DE和FG段。那么此磨合過程最合理的磨合時間應為tOA+tBC+tDE+tFG。為了進行再制造發動機產品性能檢驗，根據再制造發動機工藝情況，參考相關的文獻資料［3，7］，通過試驗，筆者制定了臺架快速磨合規范，如表3所示。

圖6 發動機磨合曲線

表3 CA6102、EQ6100再制造發動機臺架快速磨合規范

4.3 快速磨合規范的應用結果

再次隨機抽取CA6102與EQ6100各2臺并按照表3所示的磨合規范進行磨合，磨合過程結束后，動力性能測試結果如表4所示。從測試結果上看，再制造發動機的動力性能達標，說明新的磨合規范取得了較好的效果。優化后的磨合規范僅4 h，比原磨合規范縮短了13 h左右，提高了磨合效率，而且保證了磨合效果。但優化后的規范磨合時間仍然較長，磨合規范還有待于進一步優化。除了發動機轉速、負荷率與磨合時間的優化組合，還可以通過添加快速磨合油的方法進一步的提高磨合效率，縮短磨合時間［11］。

表4 快速磨合后動力性能測試結果

5 結論

1)目前國內的發動機再制造工藝還未達到極高的水平，再制造發動機新品的各摩擦副表面并未達到理想狀態，不經磨合動力性能達不到標定指標，而且偏差較大。

2)再制造發動機初期磨損規律與一般發動機新品相同，磨損速率由快轉慢并逐漸趨于平衡，各項性能指標逐漸提高。

3)優化后的規范磨合時間僅4 h，比中、小負荷磨合規范的磨合時間節省了75%左右，大大提高了磨合效率，并經應用后證明有較好的磨合效果，對其他機型有一定的參考價值。

4)優化后的規范磨合時間仍然較長，需進一步通過改善制造工藝、磨合工藝等方式提高磨合效率。

5)動力測試結果大都達不到100%的標定指標，可能與測試方法不當有關，也可能與測試發動機的數量較少有關。

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