自走式智能花葉類工業大麻收獲機用柴油機抱瓦分析

李厚貴， 曹海峰

（黑龍江省農業機械工程科學研究院綏化分院，黑龍江 綏化 152054）

0 引言

自走式智能花葉類工業大麻收獲機一次作業可完成麻莖切割、柔性輸送、花葉穗梳脫和分類收集等工序。完成這些工序和行走都需要收獲機用柴油機（以下簡稱麻用柴油機）提供動力來源，麻用柴油機負荷大、工作條件差，如果使用操作不當或維護保養不到位，常常出現抱瓦故障。抱瓦主要是指由于柴油機曲軸軸瓦與軸頸間潤滑不良，使軸瓦與軸頸形成干摩擦或部分干摩擦，摩擦產生的高溫使軸瓦合金層變軟甚至熔解，并黏結在軸頸上的故障[1]。抱瓦不但損傷麻用柴油機曲軸軸瓦，還會使曲軸、連桿和機體等主要零部件變形和損壞，甚至會引起連桿大頭脫出將缸體打破的嚴重事故，使柴油機失去工作能力，最終導致整個自走式智能花葉類工業大麻收獲機無法作業[2]。因此分析抱瓦產生的原因，找出預防和減少抱瓦的有效措施，具有十分重要的意義。要分析抱瓦的具體原因，首先要了解曲軸軸瓦的工作條件和受力情況。

1 曲軸軸瓦和軸頸受力分析

麻用柴油機曲軸軸瓦和軸頸處在曲柄連桿機構中，而曲柄連桿機構在高溫、高壓、高速和化學腐蝕等條件下工作，受力情況也十分復雜，如圖1 所示，作用在曲柄連桿機構上的力主要有活塞頂部的氣體壓力、往復慣性力、離心力和摩擦力等[3]。

圖1 曲柄連桿機構受力分析Fig.1 Force analysis on crank connecting rod mechanism

1.1 氣體壓力Fp

麻用柴油機工作循環的每個行程，活塞頂部的氣體壓力都在不斷變化。如圖1a 所示，活塞受到的氣體壓力Fp在活塞銷處分解為兩個分力Fp1和Fp2，Fp1沿連桿方向作用在連桿軸頸上，使曲軸軸頸與軸瓦產生壓緊力[4]。

1.2 往復慣性力Fj

曲柄連桿機構中的活塞組和連桿小端在氣缸中做往復直線運動，當活塞從上止點向下止點移動時，其前半行程是加速運動，慣性力Fj上升，而其后半行程是減速運動，慣性力Fj下降，如圖1b 所示[5]。慣性力在曲柄連桿機構部件上引起周期性的交變載荷，加劇了曲軸軸瓦和軸頸的磨損[6]。

1.3 離心力Fr

如圖1b 所示，曲柄連桿機構中的連桿軸頸和連桿大頭等以曲軸為中心旋轉時，將產生離心力Fr。Fr的分力Fry與往復慣性力Fj同向，加強了麻用柴油機的上下振動，分力Frx產生水平振動，Fr還會使軸瓦和軸頸受到附加負荷，增加其變形和磨損。

1.4 摩擦力

曲柄連桿機構中的活塞、活塞環與氣缸套間及曲軸軸瓦與軸頸間均會產生摩擦力，摩擦力是導致零件配合表面磨損的根本原因。在曲柄連桿機構中的曲軸軸瓦與軸頸，會受到上述力的交變作用，如不能保證兩者間的良好配合和潤滑，很容易產生劇烈的磨損而導致抱瓦故障。麻用柴油機潤滑系統對保證曲軸軸瓦的正常工作至關重要。

2 潤滑系統工作原理

柴油機工作時，相對運動的零件表面存在著干摩擦或混合摩擦，使零件表面迅速磨損，甚至燒損。為了保證柴油機正常工作，需要在摩擦表面提供一層薄而勻的潤滑油膜而實現液體潤滑。將潤滑油送到運動零件表面而實現液體潤滑的系統稱為柴油機潤滑系統。曲軸軸瓦和軸頸間采用的是壓力潤滑。如圖2 所示，柴油機運轉時，機油泵將油底殼內的機油經機油集濾器濾掉機油內大的雜質后，通過機油冷卻器，大部分經機油粗濾器過濾出較大的雜質后流入主油道；然后經過機體上并聯的各支油道進入相應的曲軸主軸瓦和凸輪軸軸瓦進行潤滑，再通過曲軸上的傾斜油道進入各連桿軸瓦予以潤滑。

圖2 柴油機潤滑油路Fig.2 Diesel engine lubrication oil circuit

3 抱瓦現象和診斷

3.1 抱瓦現象

麻用柴油機抱瓦一般有以下現象：在負荷沒變的情況下，轉速驟然降低，排氣管有時排黑煙，機油壓力突然大幅度下降并有時伴有異響；有時還會自行熄火，搖轉曲軸時感覺沉重，甚至轉不動[7]。

3.2 抱瓦診斷

麻用柴油機同時出現以下4 種情況，基本上可以斷定為抱瓦。①機油溫度迅速升至90 °C 以上；②機油壓力驟然降低；③檢查機油粗濾器濾芯外表面和油底殼時，發現有軸瓦合金粉末；④加機油口或曲軸箱通風口有白煙，機體外部曲軸對應部位附近溫度明顯高于別的部位[8]。抱瓦部位診斷流程如圖3 所示。

圖3 抱瓦部位診斷流程Fig.3 Diagnosis process for tile holding area

4 抱瓦原因

4.1 潤滑油影響

4.1.1 機油壓力

麻用柴油機機油壓力過低，軸瓦和軸頸間很難形成良好的油膜，容易引起抱瓦；機油壓力過高，會使機油溫度增高，機油變稀，軸瓦與軸頸間難以保持正常的油膜，也易發生抱瓦[9]。

4.1.2 機油溫度

由圖4 可知，軸頸與軸瓦間油膜厚度隨著機油溫度的升高而減少。當機油溫度>140 °C 時，油膜發生斷裂，導致軸瓦與軸頸間直接接觸，軸瓦溫度急劇升高，繼續發展容易產生燒損而抱瓦；而當機油溫度過低時，油膜形成困難，也易引起抱瓦。

圖4 連桿瓦最小油膜厚度和機油溫度關系曲線Fig.4 Relationship curve between minimum oil film thickness of connecting rod bearing and oil temperature

4.1.3 機油變質

麻用柴油機工作中，因氣缸套、活塞環等的磨損，竄入曲軸箱內的廢氣越來越多，導致機油油溫上升和混入燃燒生成物，加速了機油的氧化、變質[10]。軸瓦裝配時工作環境不清潔或盛機油的容器和加油裝置不干凈混入雜質，麻用柴油機工作產生金屬磨屑，空氣濾芯損壞混入外部灰塵，麻用柴油機本身配件和機油中的雜質，以及水或柴油漏入潤滑系等，都會加快機油變質的速度；這些異物黏在軸瓦與軸頸間，加重摩擦且產生拉痕，破壞了油膜而使軸瓦合金層燒蝕，瓦背與座孔間的異物還會引起兩者貼合不良，引起軸瓦局部高溫和高壓，加重其磨損；雜質還會堵塞油道。以上這些問題都容易造成抱瓦。

4.1.4 機油缺失

麻用柴油機機油添加不足、機油管路堵塞、機油管路漏機油和燒機油等原因引起的機油供給量減少或機油消耗量大，機油泵或其傳動機構損壞，以及機油泵前管路密封不嚴等，都會使機油缺失而容易導致抱瓦[11]。

4.1.5 未按期更換機油或機油質量差

麻用柴油機一般要求每工作300 h 更換1 次機油，如超期不更換機油，會導致機油變質嚴重或機油量過低，導致機油運動黏度變差，易引起抱瓦。通過表1結果（機油運動黏度標準11.5～16.1 mm2/s）證明了這個問題。

表1 幾臺發生抱瓦的麻用柴油機機油運動黏度實際情況Tab.1 Actual situation of oil kinematic viscosity for several hemp diesel engines with brake pad

使用劣質機油或假冒機油，機油的質量等級不符合廠家的要求等，也易導致抱瓦。

4.1.6 冷啟動時未進行機油提前潤滑

麻用柴油機熄火后尤其是長時間停機后，機油大部分都流回油底殼，不提前進行潤滑而直接啟動，會使軸瓦處于干摩擦或混合摩擦的直接摩擦狀態，這是導致抱瓦的主要原因。據統計，麻用柴油機的磨損60%以上來自冷啟動階段，這里所說的磨損主要是指采用壓力潤滑的曲軸軸瓦和軸頸等。現在多數麻用柴油機機型都未配置機油提前潤滑裝置，有些駕駛員啟動前只能用啟動機帶幾圈再著火，但這樣取得的效果有限。

4.2 維修、裝配方面

4.2.1 曲軸軸瓦與軸頸裝配間隙過小或過大

曲軸軸瓦與軸頸的裝配間隙如果過小，機油很難進入，產生的熱量無法通過機油傳遞出去，如麻用柴油機又在重載或過載狀態下工作，就很容易引起抱瓦；若間隙過大，機油流到軸瓦后就迅速泄漏且產生撞擊，也易引起抱瓦。

4.2.2 曲軸彎曲度超限或主軸承座孔同軸度超差

曲軸彎曲度超限時，會導致軸瓦徑向間隙、軸向間隙和各道軸瓦間隙不一致，影響機油油膜的形成，機油從間隙大的地方流失；間隙小的地方，機油油膜厚度薄而摩擦過大，軸瓦合金被擠壓黏結，故曲軸彎曲較大時易導致抱瓦。同理，機體主軸承座孔同軸度超差也會導致軸瓦配合間隙不一致，產生同樣的不良后果而易引起抱瓦。

4.2.3 曲軸軸向間隙過大或過小

曲軸軸向間隙過大或過小都會對軸瓦產生不良的影響。軸向間隙過小會使曲軸受熱后膨脹容易犯卡而產生加大的反向摩擦力，曲軸軸向間隙過大會使軸瓦受到因軸向竄動而產生的軸向摩擦力，這些都會導致軸瓦與軸頸間油膜遭到破壞，容易引起抱瓦[12]。

4.2.4 裝配力矩不當

麻用柴油機曲軸軸瓦軸承蓋裝配力矩過大或過小，會造成軸承蓋螺絲的損傷或松動，容易導致抱瓦。

4.2.5 軸瓦裝配預緊高度不當或軸瓦座孔磨損

曲軸軸瓦裝配時，上下軸瓦兩端應超出軸瓦座蓋端面適當的預緊高度，如果軸瓦的預緊高度值過大，會引起軸瓦變形，容易引起抱瓦；如果軸瓦的預緊高度值過小，會使軸瓦與座蓋貼不緊，軸瓦散熱不好，同時使軸瓦在座孔內易發生轉動，產生磨損甚至堵塞油道，也極易造成抱瓦。

主軸承座內孔或連桿大頭孔磨損，也會使軸瓦鋼背與軸瓦座蓋貼合不緊，軸瓦散熱不好，甚至發生轉動，同樣易導致抱瓦。

4.2.6 軸瓦選配方面

如果麻用柴油機曲軸軸瓦材料、規格等選擇不當，即便其他方面都正常，也易導致抱瓦。

4.3 使用操作方面

4.3.1 長期超載

長時間超載作業，使麻用柴油機高溫而轉速下降，軸瓦負荷加大，供給的機油變少且黏度下降，極易造成抱瓦[13]。另外，磨合期內超過規定負荷運行也容易導致抱瓦。

4.3.2 駕駛操作不當

麻用柴油機水溫低時，不耐心暖機而直接帶負荷運行，由于此時機油黏度大無法提供正常的潤滑，使磨損加劇而容易引起抱瓦。

起步前或停機前猛轟油門，曲軸轉速驟升，軸瓦與軸頸間瞬間摩擦加劇而產生高溫，會使它們受熱膨脹和機油溫度驟升，導致它們之間發生混合摩擦，甚至干摩擦，最后容易引起抱瓦[14]。

有些駕駛員在操作中不經常觀察機油壓力表，因而不能及時發現潤滑系統存在問題而提前處理，或者即使發現機油壓力低也不及時停機處理，導致故障擴大而抱瓦。

4.4 曲軸技術狀態和加工質量影響

4.4.1 曲軸軸頸圓度和圓柱度超限

麻用柴油機曲軸軸頸圓度超限后，軸瓦與軸頸的配合間隙長軸最小、短軸最大。選配軸瓦時若按長軸選配而使短軸間隙過大，若按短軸選配而使長軸間隙過小，由于配合間隙不均，機油由間隙大的方向泄掉，間隙小的方向又摩擦加劇且機油不足，容易產生抱瓦。

圓柱度超限也會導致軸瓦的配合間隙不一致，產生同樣的不良后果而容易抱瓦。

4.4.2 曲軸軸頸精度和表面粗糙度等超標

麻用柴油機曲軸表面粗糙度和精度是實現正常潤滑的前提，若曲軸加工的精度和過渡圓角等不達標，將導致曲軸軸瓦與軸頸配合間隙出現異常，容易引起抱瓦。曲軸軸頸加工的表面粗糙度超標，軸頸上存在的金屬棱角會使軸瓦與軸頸間的機油油膜時斷時續，棱角與軸瓦干摩擦而易造成抱瓦[15]。

連桿軸頸內部油道兩端工藝堵松脫、損壞，會導致機油嚴重泄漏而抱瓦。

4.5 維護保養方面影響

4.5.1 更換曲軸或曲軸軸瓦后未按要求磨合和保養

新更換的軸瓦或曲軸表面并不特別平滑，不能形成良好的潤滑油膜，如果不磨合即帶負荷運轉，軸瓦與軸頸間很容易產生劇烈摩擦而抱瓦[16]。

更換曲軸或軸瓦后雖然按要求進行磨合了，但磨合期過后未及時更換機油和機油濾芯，由于磨合后的機油和濾芯中存在金屬磨屑，很容易引起抱瓦。

4.5.2 外部問題

因油底殼放油螺塞松脫或機油外部管路損壞等原因而引起機油嚴重泄漏，未及時被發現而導致機油大量流失而抱瓦。

4.5.3 麻用柴油機運轉時振動大

由于麻用柴油機曲軸扭轉減振器損壞等原因，使曲軸運轉時振動大，長時間運轉可能導致軸瓦松動，容易產生抱瓦。

5 抱瓦處理和預防

麻用柴油機發生抱瓦后，準確地分析出抱瓦的原因，進而正確地進行處理很關鍵。

5.1 抱瓦后處理

抱瓦后處理要點如圖5 所示。

圖5 抱瓦后處理要點Fig.5 Key points for handling after holding tiles

5.2 潤滑油方面預防措施

5.2.1 加裝機油提前潤滑裝置

如圖6 用紅色矩形框圈（左下粗線框）部分，是在麻用柴油機潤滑系統中加裝的一套機油提前潤滑裝置的機械部分，機油提前潤滑裝置主要零件是提前潤滑電動泵；機油提前潤滑裝置控制電路如圖7 所示，柴油機啟動前控制電路通過動合式、動斷式機油壓力開關控制啟動電路和提前潤滑電動泵電路的通斷，保證柴油機冷啟動時的充分潤滑[17]。

圖6 機油提前潤滑裝置結構Fig.6 Structure of oil early lubrication device

圖7 機油提前潤滑裝置控制電路Fig.7 Control circuit of oil early lubrication device

加裝機油提前潤滑裝置的關鍵：在啟動繼電器線圈的控制電路上增設了閉合值49 kPa 的動合式機油壓力開關，這樣只有實施了提前潤滑操作且潤滑壓力達到49 kPa 時，動合式機油壓力開關才能在此壓力作用下閉合而接通啟動電路，達到了強制司機冷啟動前必須進行提前潤滑操作的目的，從根本上解決了原來冷啟動時潤滑不良的問題，最大程度地預防和避免抱瓦故障的發生。

5.2.2 機油壓力

若發現麻用柴油機油壓力異常，應立刻停機處理，首先用直感式機油壓力表確認原車的機油壓力表或機油壓力報警燈顯示是否準確，如確認機油壓力確實存在問題，應查明原因并排除故障后方可繼續作業。

5.2.3 機油溫度

發現麻用柴油機機油溫度過高，要及時處理，不能帶病作業；機油溫度和水溫低時，應該耐心暖機，待機油和冷卻水溫度達到正常值后，再帶負荷作業，暖機過程中禁止猛轟油門。

5.2.4 預防機油變質

經常用壓縮空氣吹凈空氣濾芯上的灰塵，必要時予以更換。麻用柴油機下排氣大時，應及時維修處理。經常檢查油底殼內的機油，如發現混入水或柴油，應及時查明原因并排除故障，然后更換機油。

如果通過手捻發現機油內有雜質或機油有酸臭味或在試紙上滴機油發現其核心區發暗發黑或機油倒出時呈不均勻連續狀態，說明機油已變質，應及時更換。要注意避免機油保存和加注過程中的二次污染。

5.2.5 預防機油缺失

應經常檢查油底殼內的機油量，使其始終在允許范圍內。如麻用柴油機燒機油較嚴重或漏機油應及時處理，避免因缺失機油而抱瓦。

5.2.6 機油更換

選用符合柴油機制造廠質量、等級要求的潤滑油，并按要求的周期更換機油和機油濾芯。還應按要求進行換季保養，不同季節使用不同牌號的機油，使黏度適合季節的要求。

5.3 維修、裝配方面預防措施

5.3.1 檢測曲軸

麻用柴油機裝配前，首先要對更換或磨削的曲軸進行檢測，軸頸的尺寸、圓度、圓柱度和過渡圓角，以及整個曲軸的中心彎曲度都應符合技術要求，曲軸的表面粗糙度也要達標。

5.3.2 曲軸磨削或更換后軸瓦選配和安裝

曲軸磨削或更換后，裝配軸瓦時應涂少量潔凈的新機油，按原配瓦蓋裝復；另外應選用同級別的軸瓦，軸瓦裝入軸瓦座蓋后，上下軸瓦兩端應超出軸瓦座蓋端0.03～0.05 mm[18]。

更換新軸瓦時，應選用符合原廠質量和材料要求的配件，以免因產品結構上的差別而導致抱瓦。

5.3.3 總裝

曲軸和軸瓦組裝時，要保證兩者配合間隙達到技術標準，主軸瓦0.08～0.16 mm、連桿瓦0.06～0.13 mm。曲軸的軸向也應有0.08～0.30 mm 的間隙。

按規定扭矩扭緊主軸和連桿軸承蓋螺絲，杜絕軸承蓋與座錯裝現象，軸瓦接觸結合面積應達到整個面積的85%以上，并且曲軸轉動不卡滯。

5.4 使用操作方面預防措施

5.4.1 避免長期超負荷

嚴禁麻用柴油機超負荷長時間運轉，禁止起步前、停機前或空擋時猛轟油門。

5.4.2 合理駕駛操作

麻用柴油機熄火后再啟動前，需要提前進行潤滑。啟動后應先怠速運轉3～5 min，再逐步增加負荷運轉[19]。

麻用柴油機工作時必須經常觀察機油壓力，一經發現壓力異常，必須立即熄火并排查故障，待壓力恢復正常后才能運轉[20]。麻用柴油機正常工作時機油壓力應保持0.3～0.5 MPa，怠速時須≥0.1 MPa。

5.5 維護保養方面預防措施

（1）麻用柴油機大修后或更換曲軸軸瓦后，必須按技術要求進行磨合。磨合時，應經常觀察機油溫度及壓力，磨合期后及時更換機油和機油濾芯，并清洗油底殼后再運轉[21]。

（2）經常查看麻用柴油機冷卻系統的性能，及時補充冷卻液，保持冷卻系統始終正常[22]。

（3）更換機油濾芯或清洗油底殼時，如發現有剝落的軸瓦合金粉沫，必須查明確切原因并排除故障后方可繼續作業。

（4）安裝機油過濾器時，所有密封墊必須裝好壓緊。

（5）麻用柴油機運轉中，如發現因曲軸扭轉減振器損壞等原因導致的振動大，應及時停機處理，待故障排除后再運轉。

（6）如發現潤滑系統內外部管路損壞或漏油，應及時處理；油底殼放油螺塞漏油或螺絲損傷，應立即緊固或更換，每次從油底殼放油結束時一定要注意把放油螺塞擰正擰緊。

6 結束語

麻用柴油機曲軸軸瓦在交變負荷下工作，工作條件惡劣，容易發生抱瓦故障并引發事故。但只要正確地操作和使用，合理地進行維護和保養，發現問題及時按技術標準進行維修，始終保證良好的液體潤滑，抱瓦故障是可以避免的。即使發生抱瓦故障，只要能早期發現并及時停機處理，也可以把損失降到最低限度。