某型號天然氣發(fā)動機搖臂軸孔異常磨損失效分析

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，從多個角度進行排查分析。最終確定故障原因為冷態(tài)氣門間隙過小，導致熱態(tài)時，高的熱負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行試驗驗證，問題得以解決。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動機；搖臂；磨損；熱膨脹量

1 引言

搖臂與搖臂軸是發(fā)動機配氣機構(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致配機構(gòu)功能失效，最終影響發(fā)動機整體性能。相對于傳統(tǒng)燃料發(fā)動機，天然氣發(fā)動機具有熱負荷高的特點，配氣機構(gòu)各部件更容易出現(xiàn)熱負荷導致的異常磨損等故障。

2 故障現(xiàn)象

某型號天然氣發(fā)動機完成試驗后，拆檢發(fā)現(xiàn)排氣搖臂軸孔磨損嚴重，進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，而進氣搖臂軸孔磨損未見異常。潤滑不良可能為導致異常磨損的直接原因，而導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。考慮到天然氣發(fā)動機熱負荷較高，零部件熱膨脹量大也可能導致配合間隙過小而使?jié)櫥蛔恪Ｍ瑫r，若零部件材料不合格或者熱處理工藝不合格也可能導致接觸面硬度不足而導致異常磨損。

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)量不合格導致油路不順暢，供油不足從而導致異常磨損。

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行放大觀察，以進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)時氣門間隙方面進行排查。

根據(jù)以下原理進行氣門工作間隙測量：凸輪軸凸輪進入工作段前，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，進行試驗驗證。試驗后，拆檢各缸排氣搖臂進行檢查，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，會導致天然氣發(fā)動機搖臂軸孔異常磨損。

（2）天然氣發(fā)動機熱負荷高，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，可以解決因熱負荷引起的搖臂軸孔異常磨損問題。

參考文獻：

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

[2]周龍保.內(nèi)燃機學.北京：機械工業(yè)出版社，2004.173～178.