某柴油機第一檔主軸瓦失效分析及改進

張輝，葉青陽（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某柴油機第一檔主軸瓦失效分析及改進

張輝，葉青陽
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某柴油機在開發階段發生第一檔主軸瓦失效，從設計、材料、發動機結構等幾個方面進行了計算、分析，改進了軸瓦的合金材料，通過后續的耐久試驗，驗證了新方案的可靠性，使之能用于批量生產。

柴油機主軸瓦失效可靠性

1 前言

主軸瓦是柴油機的關鍵零部件之一，受到沖擊性的燃氣爆發壓力及活塞連桿組的慣性力的交變載荷作用，承受曲軸的全部重量以及由于曲軸質量不平衡引起的離心力，確定曲軸在柴油機中的正確徑向位置。由于每個軸承都要承受較高的載荷，而且軸頸轉速很高，因此柴油機軸承都采用液體摩擦為理論基礎的軸瓦式滑動軸承，借助于有一定壓力的潤滑油在軸頸與軸瓦之間形成油膜，建立液體摩擦，使柴油機能安全穩定地運行。如果主軸瓦失效，很容易造成發動機整機被敲壞，直接影響到車輛的駕駛安全性。本文針對本公司某系列柴油機上第一檔主軸瓦失效的這一故障進行分析，找到根本原因和解決方法。

2 故障現象

故障柴油機是在本公司某系列柴油機基本型上通過擴缸、擴行程而來的新發動機，排量增加12%，功率增加5%，發動機其余基本參數不變。新柴油機在開發初期（樣試階段）連續發生第一檔主軸瓦合金層疲勞剝落失效的問題，這在過去基本型柴油機開發過程中是沒有出現過的。在新柴油機的整個開發過程中，第一檔主軸瓦失效一共發生了5起，其他各檔主軸瓦均正常。試驗工況包括了冷熱沖擊循環、定型循環以及高速循環，幾乎每臺發動機第一檔主軸瓦都發生失效，程度不一樣，失效模式基本相同。

將所有試驗后的失效軸瓦匯總并投影到平面圖上，見圖1。可以發現，失效位置（圖中陰影位置）基本都是在同一位置，正好處于主軸瓦的主承載區位置并且靠近發動機后端。

3 原因分析

從軸瓦失效的模式以及位置可以看出，主軸瓦發生了合金層疲勞剝落，而且位置基本相同，存在一定的規律性。單從軸瓦方面來分析，造成合金層疲勞有多種因素：（1）軸瓦合金層材料承載能力不夠；（2）零件尺寸不合格：軸瓦壁厚不均勻，機體座孔圓度不好，曲軸主軸頸圓度不好等；（3）裝配過程以及零部件的清潔度不好。

圖1 耐久試驗后第一檔主軸瓦失效位置

首先，對軸瓦設計的承載能力進行校核，由于該系列發動機是隧道式機體，導致這款發動機主軸承座孔有3種規格，其中第一檔直徑最小，中間三檔直徑次之，第五檔直徑最大。按現有發動機參數進行計算，第一檔主軸瓦在原發動機上的理論載荷為42.1MPa，新發動機上的理論載荷為43.7MPa。目前國產化后所用的軸瓦材料和國外原圖上所用軸瓦材料的對比見表1。

表1 第一檔軸瓦材料對比

通過理論計算值可以看到，新發動機由于缸徑加大，在相同爆壓的情況下主軸瓦的比壓略有增加，但差別不大，而目前選用的材料雖然與進口原機相比承載能力相差較多。但根據發動機目前的工況來看，即使主軸瓦承載能力只有50MPa，也完全可以滿足設計要求。因此新發動機開發時直接借用了原發動機的軸瓦，未做任何改動。

其次，對會造成軸瓦失效的相關零部件（包括機體座孔，曲軸軸頸，軸瓦壁厚）的測量結果進行檢查。測量結果表明，機體和曲軸的相關尺寸均符合圖紙要求，沒有超差；供應商測量的軸瓦壁厚以及半徑高也均滿足圖紙要求。國產化后的圖紙也與國外原圖進行了比對，尺寸公差和技術要求是完全一樣的，因此可以判定零件尺寸沒有問題。

清潔度問題也是引起發動機軸承失效最常見的原因之一。從耐久試驗后發動機其他檔主軸瓦以及連桿軸瓦的工作表面看，磨損都很正常，沒有因清潔度問題造成的拉絲或雜質嵌入的現象，并且故障軸瓦背面也無其他雜質嵌入的痕跡，因此可以排除因清潔度不佳而造成的軸瓦疲勞失效。

由于第一檔軸瓦在原發動機上從未出現過此類失效，順利完成了300 h、500 h以及900 h等一系列耐久試驗考核。將新發動機與原發動機在輸出參數上進行對比，見表2。

表2 新發動機與原發動機輸出參數對比

通過對比可以發現，新發動機相比于原發動機，額定轉速有所下降、飛輪慣量有所增加。而在相同設計條件下，發動機轉速下降時，最小油膜間隙也會隨之變小；同時飛輪慣量增大，會導致軸系彎矩增大，影響運轉時的軸承間隙變大。

此外，新發動機和原發動機的前端輪系發生了很大的變化，見圖2和圖3。原機為橫置發動機，整車帶有電子風扇，因此發動機前端不需要安裝風扇，輪系相對簡單，整個輪系集中在發動機進氣側，曲軸前端受力向右，最大約1 700N。而新發動機為縱置發動機，前端需要安裝風扇，輪系分布覆蓋了整個發動機前端，曲軸前端受力向上，最大約2 600 N，比原機高出50%，而且方向朝上容易造成如圖4和圖5所示的情況，使主軸單側受力，而主軸瓦失效的位置也正好都在該位置。

圖2 原發動機附件輪系

圖4 軸徑受力彎曲導致偏載

圖5 主軸瓦失效案例

對整個曲軸軸系進行CAE計算，第一檔軸瓦的受力情況如圖6和圖7所示，危險位置正是新發動機軸瓦的失效位置。

圖6 最大扭矩工況第一檔軸瓦受力情況

4 改進措施及效果

根據以上分析，第一檔主軸瓦在該失效處的載荷其實遠遠大于理論計算的平均載荷。由于發動機結構上的限制以及配套各管路接口的需求，無法再對發動機的前端附件輪系進行調整，所以也就無法改變目前第一檔主軸瓦的承載位置，因此只有對軸瓦材料進行升級，來加強主軸瓦自身的承載能力，以滿足發動機苛刻的使用要求。將國內常用的一些軸瓦材料進行對比，最終選擇了類似于進口軸瓦材料的銅基合金+電鍍材料，其推薦承載能力能夠達到78MPa。

圖7 額定工況第一檔軸瓦受力情況

對采用新材料的主軸瓦重新進行了耐久考核，陸續進行了300 h熱沖擊、500 h高速和900 h定型耐久試驗，均未出現疲勞失效現象。而耐久試驗后軸瓦的磨損痕跡也印證了之前的判斷和分析結果，在主軸瓦下瓦內側以及上瓦外側位置磨損痕跡非常明顯，如圖8所示。

圖8 采用新材料軸瓦的耐久情況

5 結束語

本文著重分析了造成第一檔主軸瓦疲勞失效的原因。由于基本型發動機和新開發發動機在結構上的差異性，使得發動機曲軸上前端附件皮帶力和飛輪轉動慣量受到影響，造成曲軸工作狀態的變形量變大，最終導致第一檔主軸瓦因局部載荷過高，超過其軸承材料的承載能力而疲勞失效。經過分析，選擇了更好的軸承材料以提高軸瓦的承載能力，改進后的主軸瓦順利通過發動機臺架可靠性考核。

通過此次第一檔主軸瓦的失效分析，軸瓦故障分析不但要從軸瓦自身設計上考慮，更要考慮到發動機整體結構對整個曲軸系統的影響，任何一個細微的變化都會導致曲軸的工作狀態發生變化而最終影響到軸瓦的使用。該問題的解決過程和思路可以為今后其他發動機主軸瓦可能會出現的失效提供了一種可具借鑒的寶貴經驗。

Failure Analysisand Improvementof the FirstMain Bearing ofa DieselEngine

Zhang Hui,Ye Qingyang
（ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.Shanghai200438,China）

For thequality problemssuch as firstmain bearing failureofa certain type dieselengine,the calculation and analysis are made from design,material and engine structure,finally the bearing alloy material are improved,the following engine endurance tests verify the reliability of the new design,which can beused formassproduction.

dieselengine,main bearing,failure,reliability

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.009

來稿日期：2017-04-12

張輝（1980-），男，工程師，主要研究方向為發動機活塞連桿組件的設計開發。