柴油機(jī)連桿軸瓦燒蝕的機(jī)理分析及問題改進(jìn)

趙宏國，李 楠，張財紅，韓傳文

（1.道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司，大連116600；2.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，秦皇島066004）

柴油機(jī)連桿軸瓦燒蝕的機(jī)理分析及問題改進(jìn)

趙宏國1，李 楠2，張財紅2，韓傳文1

（1.道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司，大連116600；2.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，秦皇島066004）

在柴油機(jī)實(shí)際工作過程中，由于受起動頻繁、轉(zhuǎn)速及工況經(jīng)常變化等因素的影響，軸瓦的理想工作條件無法得到滿足。因此，柴油機(jī)軸瓦經(jīng)常處于邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài)，摩擦產(chǎn)生的高溫使軸瓦表面金屬合金層燒蝕，情況嚴(yán)重時會使連桿彎曲、曲軸斷裂、捅缸等嚴(yán)重故障。以CA4DX增壓發(fā)動機(jī)連桿上瓦燒蝕為例，提出兩種解決方案，改善軸瓦表面性能，提高承載能力，達(dá)到預(yù)防軸瓦燒蝕的目的。方案經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿足性能與可靠性要求，對指導(dǎo)類似連桿軸瓦燒蝕問題的解決具有實(shí)踐意義。

軸瓦燒蝕表面性能潤滑油膜

1 前言

曲軸連桿軸瓦在工作中容易受到?jīng)_擊性氣體爆發(fā)壓力和活塞連桿組慣性力的動載荷作用，而且由于軸瓦壓入軸瓦座孔時，考慮軸瓦的過盈會產(chǎn)生靜壓縮應(yīng)力，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸瓦受熱膨脹，此壓力會逐漸增大[1]。

通過動力學(xué)計算得到，CA4DX發(fā)動機(jī)連桿軸瓦最高平均比壓高達(dá)50～60 MPa，實(shí)際上從潤滑理論分析可知，潤滑油膜中局部最高油膜壓力可達(dá)65.6 MPa。另外，在發(fā)動機(jī)連桿組高速旋轉(zhuǎn)過程中，軸瓦與軸頸之間的相對滑動摩擦速度可高達(dá)10.7 m/s。在如此高速下運(yùn)動，會產(chǎn)生大量摩擦熱，使連桿軸瓦表面溫度升高到150℃以上，高溫環(huán)境對軸瓦的工作有很大的影響。除此之外，軸瓦在工作過程中還需要承受潤滑油中有機(jī)酸的腐蝕作用。

綜上所述，內(nèi)燃機(jī)滑動軸瓦工作條件十分苛刻。在內(nèi)燃機(jī)日益向高速、高增壓發(fā)展的同時，還要求縮小內(nèi)燃機(jī)體積，提高其強(qiáng)化程度[2-4]。因此需要內(nèi)燃機(jī)連桿軸瓦具有較好的抗疲勞強(qiáng)度、較高的承載能力、良好表面性能（如摩擦相容性、順應(yīng)性、嵌入性）及良好的耐腐蝕性[5,6]。

2 滑動軸瓦的摩擦、潤滑狀態(tài)

內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸瓦的工作通常分為四種狀態(tài)：干摩擦、邊界摩擦、混合摩擦和液體摩擦，其狀態(tài)示意圖如圖1所示。

圖1 滑動軸瓦摩擦、潤滑狀態(tài)

內(nèi)燃機(jī)在啟動、停車過程中軸瓦與軸處在邊界摩擦狀態(tài)中，這時兩個摩擦面依靠分子間引力，各吸附一層大約幾個分子厚度的潤滑油層，一旦邊界油膜破裂，金屬材料就有可能直接發(fā)生接觸，從而產(chǎn)生干摩擦，造成強(qiáng)烈磨損，甚至表面融化，相互咬黏在一起，這是軸瓦損壞的根源，必須避免[7,8]。

內(nèi)燃機(jī)在變速、變載荷過程中軸瓦與軸處在混合摩擦狀態(tài)中，軸瓦與軸間存在一定潤滑油，但還不足以避免二者的直接接觸。

內(nèi)燃機(jī)軸瓦正常工作狀態(tài)下為液體潤滑摩擦，這時，足夠潤滑油通過摩擦表面，既可以冷卻軸瓦，又可以避免軸瓦與軸直接接觸產(chǎn)生干摩擦（金屬間直接摩擦），是內(nèi)燃機(jī)滑動軸瓦的理想的工作狀態(tài)。

3 潤滑油膜的楔形效應(yīng)

內(nèi)燃機(jī)軸瓦之所以在惡劣的條件下能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，主要原因是軸頸在工作過程中與軸瓦表面之間形成動壓油膜[9-11]。

首先軸瓦與軸頸之間有間隙，如圖2（a）所示。當(dāng)曲軸靜止時軸頸處于軸瓦孔的最低位置，并與軸瓦接觸。兩表面形成一楔形空間。當(dāng)軸頸開始轉(zhuǎn)動時，速度極低，軸頸與軸瓦主要金屬相接觸，產(chǎn)生的摩擦力的方向與軸頸表面的圓周方向相反，使軸頸向右滾動而偏移，如圖2（b）所示。隨著速度的增大，帶入楔形空間的油量加多，軸頸與軸瓦表面逐漸被潤滑油分開，摩擦阻力逐漸減少。當(dāng)速度繼續(xù)增大時，帶入的油足夠把兩金屬表面分開，油層內(nèi)產(chǎn)生的壓力足夠支承軸頸的外載荷，此時軸頸與軸瓦處于流體動力潤滑狀態(tài)。由于油壓的作用，把軸頸向上抬起并向左移動，如圖2（c）所示，摩擦力也降低到最小值。隨著軸頸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步加大，油層內(nèi)的壓力繼續(xù)升高，軸頸的中心更接近瓦孔的中心。油層的最小厚度比原來增大，楔角減小，油層內(nèi)壓力隨之下降，再次與外載荷達(dá)到平衡，如圖2（d）所示。因此軸頸的偏心距是隨著轉(zhuǎn)速與外載荷的改變而不斷變化的。

圖2 動壓軸瓦的工作原理

4 CA4DX柴油機(jī)連桿軸瓦燒蝕原因分析

經(jīng)反饋，CA4DX某型升級換代發(fā)動機(jī)新匹配的連桿軸瓦在初期投放市場過程中偶爾會有軸瓦燒蝕現(xiàn)象，且問題多發(fā)生在重載、高速使用工況下。表現(xiàn)形式為單缸連桿上瓦燒蝕，軸瓦燒蝕后可能會導(dǎo)致連桿斷裂等更嚴(yán)重的安全問題。故有必要對軸瓦燒蝕機(jī)理進(jìn)行分析，消除隱患。CA4DX發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

4.1 導(dǎo)致軸瓦燒蝕原因

（1）機(jī)油壓力低。機(jī)油壓力低會導(dǎo)致油膜壓力下降，軸瓦承載能力降低，金屬表面發(fā)生固體干摩擦，形成大量的摩擦熱。此外，機(jī)油壓力過低還會使機(jī)油流量減少，熱量不易被帶走，軸瓦表面溫度升高，合金層強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致燒瓦。

（2）機(jī)油溫度高，機(jī)油黏度低。流動的機(jī)油不但可以潤滑軸與軸瓦，還可以帶走熱量，避免軸瓦溫度過高。機(jī)油溫度高會導(dǎo)致機(jī)油黏度下降，使油膜壓力下降，軸瓦承載能力下降，金屬表面間容易直接接觸而發(fā)生固體干摩擦。此外，機(jī)油黏度下降，機(jī)油附著在金屬表面的能力下降，也容易使金屬表面直接接觸而導(dǎo)致燒瓦。

（3）潤滑油路的清潔度差。潤滑油路的清潔度包括與潤滑油路接觸的零部件清潔度、發(fā)動機(jī)裝配清潔度指標(biāo)。外來異常顆粒如金屬磨屑、機(jī)油積炭、砂石等堅硬雜質(zhì)通過油道飛濺進(jìn)入軸瓦工作表面，使軸瓦表面刮出一道道傷痕，個別粗大的顆粒會留下較深、較寬的溝狀傷痕，通常稱為拉瓦。拉瓦使軸瓦表面粗糙度下降，金屬表面微凸體直接接觸而造成燒瓦。

（4）軸瓦加工質(zhì)量不良，也是造成燒瓦的主要原因之一。衡量軸瓦加工質(zhì)量的主要指標(biāo)有：軸瓦半徑高以及軸瓦表面粗糙度、軸瓦的尺寸和形位公差、軸瓦鍍層的貼合質(zhì)量、合金層和鋼背黏合強(qiáng)度等。

（5）曲軸連桿軸頸與連桿大頭孔加工質(zhì)量不良。與軸瓦燒蝕相關(guān)的曲軸連桿軸頸尺寸、粗糙度、圓度、直線度；連桿大頭孔尺寸、粗糙度、圓度、直線度、兩端面平行度等。

4.2 CA4DX柴油機(jī)連桿軸瓦燒蝕原因分析

因?yàn)镃A4DX柴油機(jī)連桿軸瓦燒蝕表現(xiàn)為單缸上瓦，并且不集中在某一缸。潤滑油是由曲軸軸瓦經(jīng)曲軸油孔流入連桿軸頸并潤滑連桿軸瓦的。故障機(jī)拆檢并未發(fā)現(xiàn)主軸瓦及其他未燒蝕連桿軸瓦有嚴(yán)重的清潔度問題。經(jīng)潤滑油成分化驗(yàn)分析，未發(fā)現(xiàn)潤滑油黏度問題。因此排除油路清潔度及潤滑油質(zhì)量問題。此外，發(fā)動機(jī)臺架試車未發(fā)現(xiàn)機(jī)油壓力低或機(jī)油溫度過高的現(xiàn)象。因此也排除機(jī)油壓力低或機(jī)油溫度高的問題。

表1 CA4DX發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)

圖3 發(fā)動機(jī)早期磨合后的上連桿軸瓦

圖4 繼續(xù)運(yùn)行100 h后的連桿上軸瓦

經(jīng)樣件抽檢，并未發(fā)現(xiàn)連桿軸頸-軸瓦摩擦副尺寸具有缺陷。對200余臺CA4DX柴油機(jī)充分磨合后的連桿軸瓦進(jìn)行拆檢分析，發(fā)現(xiàn)兩片連桿軸瓦存在早期磨損，均為連桿上軸瓦，下軸瓦未發(fā)現(xiàn)缺陷，軸瓦局部減磨鍍覆層剝離，露出銅鉛合金，如圖3所示。

將這兩片軸瓦重新安裝到發(fā)動機(jī)上，在發(fā)動機(jī)的額定工況（功率70 kW，轉(zhuǎn)速3 200 r/min）下繼續(xù)運(yùn)行100 h，軸瓦減磨鍍覆層大面積剝離，結(jié)果如圖4所示。按照奧地利Miba公司標(biāo)準(zhǔn)，這兩片軸瓦承載區(qū)磨損范圍超過30%，軸瓦已經(jīng)失效[4]。如果繼續(xù)運(yùn)行，因軸瓦與軸間隙已經(jīng)變大，且暴露的銅鉛合金順應(yīng)性很差，不容易在連桿軸頸-軸瓦摩擦副間建立起油膜，則會導(dǎo)致軸瓦燒蝕。

因此分析認(rèn)為，連桿軸瓦燒蝕是由于軸瓦鍍層的表面性能差不滿足使用強(qiáng)度要求導(dǎo)致早期剝離，并經(jīng)變速變載荷的長期使用產(chǎn)生的。

5 CA4DX柴油機(jī)連桿軸瓦性能改進(jìn)

5.1 解決方案的提出

CA4DX柴油機(jī)連桿軸瓦為普通三元平瓦，鍍層（PbSn10Cu2）具有良好的耐腐蝕性，在邊界潤滑下有較好的性能，但疲勞強(qiáng)度低。從以上分析實(shí)驗(yàn)情況看，鍍層一旦磨損量大，可能會導(dǎo)致鍍層剝離并迅速擴(kuò)大。針對這一情況，給出兩種解決方案。

第一種方案：連桿上軸瓦采用Miba公司溝槽軸瓦，如圖5所示，為降低成本，下瓦采用原結(jié)構(gòu)（普通三元平瓦）。

圖5 溝槽瓦結(jié)構(gòu)

槽軸瓦為銅鉛合金（CuPb20Sn4）材料，表面加工的槽矩為0.20 mm、深0.02 mm左右的細(xì)槽，銅鉛合金表面電鍍鎳珊層，然后用三元鍍層將槽填平、再精鏜一刀形成由70%的鍍層、25%的銅鉛合金和5%的鎳珊層槽脊共同組成的表面，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的銅鉛帶三元電鍍層軸瓦，具體表現(xiàn)為：（1）在薄油膜和高載荷情況下，磨損率也較低；（2）具有較高的嵌入性；（3）細(xì)槽結(jié)構(gòu)在鍍層磨穿時，不會出現(xiàn)完全橫貫軸瓦的鎳柵層，從而減小了失效危險（鍍層不會大面積脫落）；（4）比普通三層軸瓦具有更高的抗腐蝕性能。

第二種方案：連桿上、下軸瓦統(tǒng)一采用日本大豐公司的波紋瓦，如圖6所示。

圖6 波紋瓦結(jié)構(gòu)

這種軸瓦采用鋁合金材料（AlSn10Si5Cu），為提高其表面性能和承載能力，表面加工微槽，槽間距p為0.1～0.4 mm，槽高h(yuǎn)為1～6 mm。與普通平瓦相比，波紋瓦有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：（1）具有良好的早期磨合性；（2）溝紋中油的流動具有冷卻作用，并且增加了油的保持量，因此抗咬合性能明顯提高；（3）獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使得原本具有破壞作用的氣泡不被擠破而被排出，因此具有抗氣蝕性能。

5.2 兩種方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述兩種方案的改進(jìn)效果，在CA4DX發(fā)動機(jī)上進(jìn)行400 h的全速全負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，連桿上軸瓦拆檢情況如圖7、圖8所示。從外觀看，軸瓦磨合均勻，鍍層（或合金）無嚴(yán)重磨損。

圖7 銅鉛合金波紋瓦（連桿上軸瓦）

圖8 鋁合金波紋瓦（連桿上軸瓦）

試驗(yàn)后檢測數(shù)據(jù)顯示，軸瓦壁厚磨損量平均只有1 μm，說明與軸瓦配合的間隙合適，潤滑正常，磨損量滿足要求；且實(shí)驗(yàn)后軸瓦自由尺寸和半圓周長高出度也都在正常范圍內(nèi)。

通過實(shí)驗(yàn)可見，兩種改進(jìn)方案都取得了較好的效果，可以為CA4DX連桿軸瓦燒蝕故障的解決提供指導(dǎo)依據(jù)。考慮到波紋瓦結(jié)構(gòu)相對簡單、制造加工及使用成本較低，故采用波紋瓦方案作為最終的優(yōu)化方案。

6 結(jié)論

（1）CA4DX柴油機(jī)連桿軸瓦燒蝕主要原因是連桿鍍覆層減磨能力不足、承載能力差，鍍覆層過早磨損，軸與軸瓦之間間隙增大，連桿軸瓦受高頻沖擊載荷的持續(xù)作用，疲勞所致。

（2）提高連桿鍍覆層的減磨性能，使連桿軸瓦與軸之間建立起有效的潤滑油膜，增強(qiáng)其承載能力是解決連桿軸瓦燒蝕的主要途徑。

（3）CA4DX柴油機(jī)連桿軸瓦采用微槽或微紋結(jié)構(gòu)，既可以改善軸瓦的表面性能，又可以提高軸瓦鍍覆層承載能力，可有效降低軸瓦燒蝕故障。

[1]李柱國.內(nèi)燃機(jī)滑動軸承[M].上海交通大學(xué)出版社,2003.

[2]戴旭東，馬雪芬，趙三星等.曲軸主軸承油膜動力潤滑與系統(tǒng)動力學(xué)的耦合分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2003，21（1）：86-90.

[3]孫軍，桂長林，潘忠富.內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)曲軸變形引起的軸承潤滑變化對曲軸強(qiáng)度的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報，2006，42（10）：109-114.

[4]Shenoy P S,Fatemi A.Dynamic Analysis of Loads and Stresses in Connecting Rods[J].P I Mech Eng C-J Mec,2006,220:615-624.

[5]Bai-yan Hea,Guang-da Shi,Ji-bing Sunb,et al. Crack analysis on the toothed mating surfaces of a diesel engine connecting rod[J].Engineering Failure Analysis,2013,34:443-450.

[6]景國璽，王延榮，張儒華等.發(fā)動機(jī)連桿疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)及壽命預(yù)測方法研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2013（4）：41-45.

[7]Wojciech Litwin.Experimental research on water lubricated three layer sliding bearing with lubrication grooves in the upper part of the bush and its comparison with a rubber bearing[J].Tribology International,2015,82:153-161.

[8]李震.內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)動力學(xué)耦合研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[9]Atul Dhar,Avinash Kumar Agarwal,Vishal Saxena. Measurement of dynamic lubricating oil film thickness between piston ring and liner in a motored engine[J].2009,149(1):7-15.

[10]于美杰，吳益民，朱波等.碳纖維密封盤根耐燒蝕性能的研究[J].潤滑與密封，2011，36（8）：11-14.

[11]Ho X J,Saulot A,Busquet M,et al.Tribological Investigation of Packing Friction along the Stem of a Valve[J].Tribology International,2013,65: 354-362.

Mechanism Analysis and Improvement for Bearing Ablation of Diesel Engine Connecting Rod

Zhao Hongguo1,Li Nan2,Zhang Caihong2,Han Chuanwen1
（1.DEUTZ Dalian Engine Co.Ltd,Dalian 116600,China; 2.College of Vehicles and Energy,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China）

The ideal working conditions of bearing cannot be met in the actual working process of the diesel engine because the diesel engine frequent starting,and rotating speed or working conditions are often changed.The diesel engine bearing is often in boundary lubrication or mixed lubrication.High temperature caused by friction produced made the ablation of the bearing surface of metal alloy layer.And it will cause the connecting rod bending,crankshaft fracture,cylinder and other serious faults.In this article,two kinds of solutions were proposed takes the CA4DX turbocharged engine connecting rod for example.The surface performance of bearing was improved and the bearing capacity was increased.Therefore,the erosion of the bush was prevented.The schemes meet the requirements of performance and reliability after testing and verification.It has the practical significance to solve similar problems guiding rod bearing ablation.

bearing,ablation,surface properties,lubricating oil film

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.01.005

來稿日期：2016-09-12

河北省教育廳高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（QN2016082）；燕山大學(xué)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)課題（16LGB014）

趙宏國(1978-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)連桿優(yōu)化研究。