某型柴油機凸輪異常磨損原因分析

徐武 龐龍俊 胡明翔 史永明 呂蕾

摘要：本文針對某型大功率柴油機累計運行2100小時出現的燃油凸輪發生磨損進行了多方面原因排查發現凸輪型線加工超差，在工作過程中，凸輪表面切向方向相對運動趨勢發生變化，與滾輪接觸時受力增加，從而加快了凸輪表面磨損。分析了應采取的整改措施，可以避免燃油凸輪發生過快磨損。

Abstract： This article for a certain type of high power diesel engine to run 2100 hours of fuel CAM wear and tear on the various reasons for trying to find processing of CAM contour line， in the process of work， the CAM surface tangential direction change trend of relative motion， and roller contact stress increase， thus speeding up the CAM surface wear. The corrective measures should be taken to avoid excessive wear of fuel CAM are analyzed.

關鍵詞：柴油機;凸輪;磨損

Key words： diesel engine;CAM;wear and tear

中圖分類號：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0125-02

0? 引言

某型船用柴油機為12缸V型機，配置的高壓燃油泵為機械式柱塞泵，其中柱塞、挺柱、滾輪與凸輪配合運行為柴油機提供高壓燃油。凸輪在工作中承受周期性沖擊載荷，凸輪與挺柱滾輪之間接觸應力很大，在設計中對凸輪型線規定了較高的精度。本文針對某型柴油機在年檢時發現的凸輪軸磨損故障，開展原因分析和排查，確定并驗證了磨損原因，提出了整改措施，為避免柴油機凸輪表面異常磨損提供參考。

1? 故障現象

某船主機柴油機在運行期間，滑油溫度、壓力等各項參數均顯示正常。但在進行年保修時發現左機B2、B6和右機A3、A6，共計四個燃油凸輪發生磨損，發生磨損時柴油機運行約2100小時，凸輪磨損情況詳見圖1。

拆下異常磨損的燃油凸輪進行詳細檢查，發現燃油凸輪磨損集中在噴油器開啟階段，磨損處沿圓周方向長度25mm左右，磨損面寬度與滾輪寬度基本相同。但在同一工作面的滾輪表面卻無任何損傷。

2? 故障原因分析排查

通常導致燃油凸輪異常磨損的原因，有以下原因：

①凸輪與滾輪之間無潤滑來油，形成干摩擦;

②滑油系統清潔度差，異物造成磨損;

③凸輪材料和硬度不達標，不能滿足使用要求;

④凸輪型線設計不合理或加工超差;

⑤其它影響凸輪與滾輪之間貼合的相關尺寸不合格。

根據故障可能原因對相關零部件開展如下排查工作：

2.1 對凸輪與滾輪之間潤滑油來路進行檢查

該機型的高壓油泵驅動裝置、滾輪是強制潤滑，從主油道接有油管送至高壓油泵驅動裝置，再流入滾輪與凸輪。拆除磨損凸輪對應的四個高壓油泵，開啟滑油預供泵，可以觀察到驅動裝置、滾輪均有大量滑油留出，油道通暢。所以可以排除凸輪與滾輪之間無潤滑來油造成的凸輪磨損。

2.2 對滑油系統清潔度進行檢查

拆檢燃油驅動機構，沒有發現鑄件型砂、加工零件毛刺等;翻閱裝配記錄，燃油驅動機構、凸輪軸以及滑油管路裝配，清潔度檢查，自檢和專檢均記錄符合清潔度要求;檢查清洗滑油濾器，沒有發現異常的硬質異物，滑油清潔度良好。

2.3 對凸輪材料和表面硬度進行檢查

該型柴油機燃油凸輪專利方材料為16NC6，且凸輪為進口件，對故障燃油凸輪材料化學成分進行檢查，檢查結果見表1。

從表1中可以看出凸輪化學成分符合標準要求，復查凸輪入庫檢查記錄，化學成分符合材料標準要求。

對凸輪的表面到芯部硬度進行了檢查，測得凸輪表面實際硬度為HV675，芯部硬度HV258，根據凸輪相關技術文件，燃油凸輪表面硬度要求值為HV670～760，芯部硬度要求值≥HV275，檢測結果表明凸輪外表面硬度符合標準要求。

2.4 對凸輪型線進行檢查

按凸輪圖紙對磨損凸輪型線進行全方位測量，將測量尺寸輸入到二維繪圖軟件里繪制的凸輪型線與標準的凸輪型線進行對比。發現故障凸輪有兩處型線與標準凸輪型線有偏差，其中偏差較大的部位與凸輪實際磨損處位置基本吻合，最大偏差為5mm，其余尺寸及升程符合圖紙要求（具體見圖2），圖中陰影曲線部分為故障件凸輪型線。所以不排除凸輪型線偏差造成凸輪磨損的可能。

由于凸輪在使用過程中發生磨損，為查明原因，對同一批次的庫存燃油凸輪進行測量得到同樣不符合圖紙要求的型線尺寸，非同批次檢查結果表明凸輪型線符合圖紙要求，見圖3。

2.5 對其它影響凸輪與滾輪之間貼合的相關尺寸進行檢查

根據凸輪專利方圖紙進行其它相關尺寸的檢查，檢測結果如表2。

從檢測結果看，全部合格，可以排除影響凸輪與滾輪之間貼合的尺寸超差引起凸輪工作面異常磨損。

3? 故障原因分析

由于凸輪型線加工超差，從圖4中可以看出，當開始進入供油階段，凸輪型線斜率比較大，柱塞上升加速度大。隨著高壓燃油系統燃油壓力的提高，凸輪型線斜率應該開始變小，但在圖5中可以看到有缺陷的凸輪此時還處于大斜率的型線，滾輪與凸輪在此缺陷處接觸加速度大，凸輪表面的接觸摩擦力增加，滾輪與凸輪之間為無壓力潤滑油，周期性高接觸力作用下，油膜變的更薄甚至被破壞，凸輪長期使用過程中，油膜一旦被破壞，接觸部位形成干摩擦，產生局部高溫，接觸表面形成粘著點，在此部位逐漸發生磨損現象。

但同一工作面的滾輪表面為什么沒有出現磨損？根據滾輪相關技術文件，滾輪精加工后滲碳層深度2■■mm，硬度HV700～750。

對噴油泵頂桿機構分解，檢查滾輪、滾輪襯套、滾輪銷和挺柱，并對滾輪進行磁粉探傷，均滿足要求，無裂紋顯示。對滾輪的表面硬度進行了檢查，測得滾輪表面實際硬度為HV735，而凸輪表面實際硬度為HV675。所以解釋了長時間的周期性高接觸力作用下，磨損的是凸輪。

4? 故障原因驗證

在磨損原因和故障原因分析的基礎上，對該柴油機更換了全部合格的燃油凸輪片，以驗證原因分析結論。經過實船歷時一年的航行使用考核，柴油機累計運行接近五千小時，再未發生凸輪磨損現象。柴油機運行狀態良好。實際情況證明，燃油凸輪過快磨損的原因是凸輪型線加工超出設計規定的公差要求，致使故障發生。

5? 改進建議

凸輪材料、尺寸及表面硬度直接影響柴油機的可靠性，對于設計定型的柴油機，尤其是中高速的大功率柴油機需要重點針對凸輪材料、尺寸及表面硬度加強生產制造過程的監管，特別是加強對原材料采購的質量控制和凸輪型線加工及熱處理的過程檢驗，可以大幅度減少柴油機此類故障的發生。

參考文獻：

[1]柴油機排煙異常的分析與診斷[J].黑龍江科技信息，2004（11）：28.

[2]韓自樸.8240ZJ型柴油機凸輪異常磨損的原因分析及對策[J].內燃機車，1993：41-43.

[3]張河.CAT-C9柴油機部件磨損原因分析及預防措施[J]. 設備管理與維修，2019（19）：67-68.