內燃機滑動軸承磨損機理及失效分析

賈文靜

摘要：內燃機工作條件較為復雜，特別是近年來其逐漸趨于高轉速、高負荷等發展，以及人們對滑動軸承潤滑機理研究不斷深入，潤滑設計在實踐中不斷完善，對內燃機滑動軸承抗磨損性、抗疲勞性提出新的要求，需開展其磨損機理分析，掌握其失效原因，采取針對性解決措施，減少滑動軸承磨損，延長其使用壽命。本文闡述軸承磨損機理基礎上，分析柴油機磨損過程，最后分析內燃機滑動軸承磨損失效。

關鍵詞：內燃機;滑動軸承;磨損機理;失效

中圖分類號：TK4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0142-02

0? 引言

內燃機滑動軸承是機械核心零件之一，可靠性較高、工作平穩是其核心優點，但正常使用過程中，持續性對其造成磨損，以及失效現象屢見不鮮，影響其工作效率。內燃機滑動軸承磨損主要是其表面鍍層磨損，其自身磨損程度成為影響軸承承載能力及使用壽命核心因素，所以為進一步保證內燃機滑動軸承使用可靠性，有必要開展其磨損機理分析，研究失效部位表現，確定失效直接及間接成因，采取針對性解決措施，對滑動軸承使用可靠性至關重要。

1? 內燃機滑動軸承磨損機理

針對機械零件而言，其摩擦副從投產至損傷需歷經三大階段，即磨合、穩定、劇烈磨損，且三個階段呈現的磨損表現不盡相同，主要體現在以下幾方面：

1.1 磨合階段

加工完成之后新零件表面存在一定粗糙程度，以及具有較為突出的尖峰，兩個表面通過尖峰真實接觸面積較小，所以微凸體間產生較大的接觸壓力，嚴重狀況下會超出材料屈服強度限值，致使凸體材料發生位移，以及接觸面發生變形即局部溫度較高，形成熔焊，在其表面相對運動下被撕裂。同時，微凸體實際運動過程中，易出現劃傷、碰撞等。因此，滑動軸承處于磨合階段，磨損量急劇增高。此外，由于零件進行加工及裝配時，其表面間隙未處于均勻狀態，無法形成穩定的油膜，正處于潤滑至混合潤滑過渡階段。零件持續性處于工作狀態，凸體不斷處于平緩，促使其接觸面積不斷增大，單位接觸面積與其成反比，同時通過一定時間磨損之后，其油膜逐漸形成處于穩定狀態，磨損率隨之減小[1]。

1.2 穩定期磨損

穩定期滑動軸承磨損逐漸趨于平緩，磨損率持續性降低，并達到一定條件下其處于穩定狀況，零件摩擦副表面形成穩定的油膜，處于潤滑油充足工況下，其消除零件凸體間接觸，改善氣表面受力狀況，促使凸體尖峰受力面積增大，處于均勻受力狀態。此種運行條件，對減少軸承磨損具有一定促進作用，尤其是油膜厚度與接觸面粗糙度之比為2：1，摩擦副潤滑程度較佳，凸體間幾乎未接觸，摩擦表面傳力主要依附于油膜，所以軸承磨損處于平穩狀態。穩定磨損階段是軸承正常工作狀態，其保持周期與零件工作，以及磨合階段磨合質量相關。由于機器啟動或中斷條件下，之前建立完整油膜被消除，潤滑條件發生變化，磨合階段磨合質量較佳的機器，其自身穩定磨損時間較長[2]。

1.3 劇烈磨損階段

由于上述機械磨損處于穩定期，保持一段時間之后，受多方面因素影響，如潤滑失效、載荷增加等，均加劇機器表面磨損程度。劇烈磨損是持續性受磨損最終產生的結構，具有一定的突發性及急劇性。機器處于劇烈磨損過程，不僅影響機器實際運行效率，而且自身運行產生噪聲增大，摩擦副由于摩擦劇烈，內部溫度持續性上升，導致零件被損傷。

上述機器磨損三個階段并非是固定的，受多方面因素影響其處于動態化，不合理的磨合、非正常磨損工作條件均提前劇烈磨損階段，造成機器早期磨損失效。磨合階段過程中若載荷過小，亦或使用潤滑油不合適，會推遲機械穩定磨損期，導致新設備投產使用時間推遲。反之若磨合階段過短，機器磨合未處于最佳階段，會導致機械出現早期磨損。

2? 柴油機磨損過程

2.1 內燃機摩擦副及潤滑系統

柴油機出廠之前需對整機開展系統性磨合，以及相關參數調試驗證，核心目的在于改善運動副接觸狀態，運轉柴油機的磨損主要體現在零部件摩擦副表面形態，以及接觸狀態發生變更，隨著機器部件表面狀態持續性變更，潤滑狀態逐漸趨于穩定階段，從邊界潤滑轉移至流體穩定潤滑狀態，進而避免柴油機過早出現磨損，提高柴油機工作效率及延長使用壽命。

2.2 柴油機磨損過程及其相關性

新柴油機零件或新安裝的零件表面，存在一定的宏觀、微觀缺陷。機械處于磨合階段，其運動副表面在接觸下形成一定相對運動，接觸面積較大其壓力持續性增大，尖峰形成劇烈磨損，其表面結構和性質均發生變化。機械逐漸適應磨合條件，隨著接觸面積不斷增加，其表面壓力不斷減小，磨損率下降。按照柴油機實際工作條件及磨損機理，著重分析其實際載荷、速度、摩擦副表面形貌等對磨損造成影響，由此分析其實際磨損量與載荷、速率、摩擦副狀態成正相關。因此，分析柴油機整機磨合過程時，不僅需考量運行速率、載荷因素，而且需將摩擦副實際狀態予以計入影響因素中，特別是潤滑油影響[3]。

3? 內燃機滑動軸承磨損失效分析

3.1 滑動軸承損壞形式及失效

滑動軸承工作具有平穩性及可靠性，但由于其易磨損，正常失效型式是磨損失效，軸承間隙較大超過磨損限值條件下，軸承無法進行正常工作，其實際磨損使用壽命達到設計值。一般針對滑動軸承失效分析，是針對處于非正常狀態下造成機器損傷，其損壞形式未處于設計使用壽命損壞階段。影響滑動軸承早期損傷因素較多，主要包含以下幾方面：①結構設計缺乏合理性?；瑒虞S承結構設計缺乏合理性，主要體現在設計計算偏差較大，精度控制不當，軸承內部鍍層材料選取不當等。②生產工藝、加工質量不佳。生產工藝、加工質量與軸承正常運行密切相關，若加工過程中造成其形成質量缺陷，易在后續使用過程中提早進入劇烈磨損階段，縮短機器使用壽命年限。亦或加工方式滯后，造成其材料內部性能、尺寸等未滿足相關精度要求。③裝配工藝。裝配工藝滯后、裝配后精度難以滿足設計要求，是影響其損壞核心因素。④使用及維護保養不當。機器使用過程中采取相應的維護保養，有助于消除機器運行存在不良隱患，促使其性能始終保持在最佳使用狀態。然而，若機器投產使用之后持續性處于高溫、高壓工況下，忽視其機器維護及保養，會造成提早進入劇烈磨損階段，影響機器工作效率及使用年限。⑤其他部件影響。潤滑油失效、濾清器選取缺乏合理性等，均會導致軸承損傷。由上述因素表明，軸承損壞因素較多，且具有一定的復雜性，滑動軸承損壞現象是綜合性成結果，所以對其進行失效分析時，需按照其表現形式分析，逐一確定其發生因素，如此保證有目的性、有針對性采取預防措施[4]。

3.2 內燃機滑動軸承損壞現象及其對策

內燃機滑動軸承損壞現象分析十分重要，需透過現象看本質，以此確定其損傷的主次因素，并采取針對性改進措施，提高滑動軸承運行效率，延長其使用壽命，包含以下七種現象，下面對其進行逐一分析：

3.2.1 劃傷

機器表面存在劃傷主要現象是表面沿旋轉方向存在若干根劃痕，核心損傷機理是由于大顆粒硬質機械劃過機器表面，確定形成因素是軸承潤滑間隙中存在一定的硬質顆粒，可能是潤滑油內部存在物質，亦或裝配工作未做好清潔工作。針對上述損壞現象應檢查濾清成效，檢查其他零部件是否存在磨損，潤滑油內部是否存在硬質粒徑，裝配做好清潔工作。

3.2.2 磨粒磨損

工作表面核心承載區域內出現沿旋轉方向細微摩擦痕跡，軸承間隙增大，損傷區域內呈現較亮的拋光面。損傷機理是機油中含有微小的雜質，持續性磨損機器表面，產生原因是潤滑油過濾之后質量不佳，造成較大粒徑進入機器表面，潤滑油被污染。采取措施是利用光譜等方式進行分析，明確粒徑相關參數，估測未來磨損趨勢。同時，增強濾清成效，及時更換機油。

3.2.3 混合摩擦磨損

工作表面局部較為光滑，軸承間隙增大。此種現象形成的機理是油膜過薄，持續性處于混合摩擦狀態下，造成區域內磨損。油膜厚度不足，承載力薄弱等是形成其核心因素，以及柴油機持續性處于高載荷工況。采取改善措施是使用軸瓦壽命若達標，屬于正常范圍內，應及時更換軸瓦，適當調整軸承參數，增加油膜厚度及承載力。

3.2.4 咬粘

工作表面大面積沿圓周方向出現溝痕，油槽及軸瓦邊緣存在一定的殘痕，軸頸表面也粘焊軸承合金。發生機理是軸承持續性處于工作狀態，高溫狀況下合金軟化，軸頸將其正在高壓下拖動，形成粘駙及材料發生位移。形成此種因素較多，如軸承載荷較大、潤滑油粘度較低、劇烈磨損形成溫度增加等。若此種現象屬于偶發性，可能是其他零件引起;若時常出現其他部件處于正常工況，需綜合性進行考量：油膜整體厚度是否充足、承載力是否滿足運行要求;潤滑系統設計是否具有合理性、可靠性;軸承間隙與材料實際溫度是否滿足要求;材料許用比率值是否被超限。

3.2.5 偏磨

其呈現現象是軸瓦一側邊緣出現磨痕。形成核心因素是軸頸、軸承支座出現形變或加工偏邊。采取措施是通過調整改善曲軸設計，增強其自身剛度;嚴控軸承頸錐度公差;連桿大端軸承出現損傷現象，需核查是否引起其軸承孔偏斜。

3.2.6 擦傷

工作表面局部區域內出現刻痕，具有明晰的界線。機器損傷機理是滑動軸承表面存在硬質粒徑，持續性擦劃表面，多見于油膜厚度較薄區域內，形成核心因素是機油濾清不佳，采取措施與劃傷相同。

3.2.7 侵蝕磨損

主要是油孔、油槽邊緣呈現沖刷磨痕，損傷機理是機器表面流動潤滑油中存在一定磨粒，造成表面出現損傷。此種現象形成因素是潤滑油質量不佳，流道設計不當致使流速過高。應改善其流道設計，拓寬油槽截面。

4? 結束語

滑動軸承作為內燃機核心零部件，其具有一定的平穩定、可靠性，唯一不足是易損傷，影響工作效率及零部件使用年限。因此，為提高零部件使用效率及延長年限，應對其磨損機理展開系統性分析，掌握影響其磨損的主次因素，以及研究其失效根源，便于采取行之有效的策略改進，保證其使用性能優良，延長使用時間。

參考文獻：

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