發動機行駛無故障檢測分析方法

黃開啟， 畢文， 古瑩奎

(江西理工大學機電工程學院，江西 贛州341000)

發動機行駛無故障檢測分析方法

黃開啟， 畢文， 古瑩奎

(江西理工大學機電工程學院，江西 贛州341000)

針對無故障條件下的發動機可靠性與性能評估，分析行駛無故障檢測試驗流程與方法.提出在發動機行駛里程超過一定數值時，盡管無故障發生，為保證其運行安全可靠，仍需要對其進行檢測，界定了發動機行駛無故障檢測的內容、流程及檢驗規范，根據檢測結果對發動機整機及零部件進行綜合評定.通過發動機配氣相位和出油閥緊座的檢測實例，說明了行駛無故障檢測試驗對于發動機可靠性評估、故障預測、產品結構改進和質量保證具有積極的意義.

無故障檢測;發動機;可靠性評定;檢驗規范

0 前 言

發動機作為汽車、工程機械、船舶和電站機組等的動力來源，在國民經濟中占有重要地位.隨著技術水平的提高，發動機日益朝著大型化、高速化和精密化方向發展，工作性能不斷改善，自動化程度越來越高.但一旦發動機發生故障，往往會造成停工停產，直接或間接造成巨大的經濟損失，甚至造成關鍵設備損壞，危及人身安全.可靠性技術作為一種重要的保障技術，是衡量和提高發動機在規定的條件和時間內實現規定功能能力的技術，對保證發動機的正常使用具有重大意義.在進行發動機系統及其零部件的可靠性評估時，通常是從可靠性失效數據的收集與分析入手，借助數理統計方法[1]、失效物理分析[2]、多源信息融合[3]以及人工智能[4-6]等工具，對收集到的失效數據進行分析與處理，給出可靠度函數及若干重要可靠性特征量的估計值和觀測值，從而得到發動機及其零部件的失效規律.隨著設計、生產和試驗水平的提高，發動機可靠性水平也有了顯著的提高，發動機試車過程中出現故障的次數越來越少，甚至在整個試驗階段或運行過程中并沒有發生故障.因此，無故障條件下系統及部件的可靠性與性能評估，已成為可靠性研究中一個新的重要領域，也是亟待解決的工程問題[7-9].目前研究較多的是充分利用專家經驗信息[10]以及各類參數估計方法[11-13]、相似產品信息[14]等進行融合分析.事實上，實驗分析是進行無故障可靠性評定的最直接方法.本文針對發動機產品，分析其行駛無故障檢測試驗流程與方法，提出根據檢測結果對發動機整機及零部件進行綜合評定，分析各部件潛在的失效機理，以期為無故障條件下的發動機可靠性評估、故障預測、產品結構改進和質量保證提供技術支持.

1 發動機無故障檢測內容

對發動機而言，當其行駛里程超過一定數值時(如20萬公里)，盡管無故障發生，為保證其運行安全可靠，仍然需要對其進行檢測，對各個總成及其零部件的可靠性情況進行了解和掌握.主要檢測內容應包括以下幾個方面[14]:

1)檢驗排氣管螺釘力矩以及進氣面是否平直.

2)檢測缸蓋罩與墊片有無漏油.

3)檢查氣門間隙以及配氣相位.

4)檢查缸蓋力矩.檢查項目包括:①油嘴凸出高度;② 氣門下沉量;③ 油嘴壓力，霧化的效果;④氣門油封的安裝情況;⑤氣門彈簧的彈力、剛度、自由長度;⑥ 氣門尺寸;⑦ 導管孔尺寸;⑧ 座圈的跳動、磨損;⑨缸蓋的平面度以及水孔的水垢情況等;⑩氣門、缸蓋底面的燃燒積碳情況和噴油落點;11○缸墊的密封狀況以及水孔、機油孔封水圈的狀況;12○搖臂軸、挺柱、推桿、搖臂的尺寸，以及搖臂頭部、調整螺釘的磨損情況.

5)檢驗機油泵性能、間隙、尺寸.

6)檢查活塞的凸出高度、缸套的凸出高度.

7)檢查連桿螺栓力矩，拆連桿活塞總成，檢查項目有:①拆擋圈、活塞總成及活塞銷;②檢查活塞環的積碳情況，再拆活塞環檢測活塞環的軸向間隙、閉口間隙、彈力、尺寸等;③檢測活塞尺寸、活塞與缸套間隙;④檢測帶瓦孔徑;⑤檢測底孔、小頭襯套、孔徑及歪扭度、平行度和形位公差;⑥檢測瓦厚度、瓦背接觸情況.

8)檢查螺栓力矩.

9)檢驗輪殼后油封的平面度以及后油封唇口磨損情況.

10)檢查齒輪間隙、軸向間隙.

11)檢查力矩，拆齒輪、齒輪軸.

12)檢查力矩，拆曲軸和軸瓦，檢查軸瓦的磨損情況.檢查項目有:①帶瓦孔徑;②瓦的厚度;③不帶瓦的尺寸;④ 缸套孔上中下的直徑;⑤ 水封圈的老化，切邊情況以及缸套的孔徑、網紋、外現穴蝕、水垢情況;⑥ 機體頂面、底面、兩端面平面度等.

通過檢測，了解當前各關鍵零部件的狀態及其偏離設計參數的程度，對出現的各類異常狀況進行分析，查找原因并預測其下一步發展的趨勢，給出各類異常狀況的改進建議，如表1所示.

表1 發動機無故障檢測異常表

在對整機各個零部件按照檢驗規范進行檢驗 完畢后，記錄檢測情況，做如圖1所示的評估.

圖1 發動機無故障檢測評估圖

2 無故障檢測檢驗規范

檢驗規范是對部件評估的重要依據之一，也是用來指導檢測的綱領性文件.在進行檢驗前，要制定各個部件的檢驗規范，以明確規范的范圍，規定產品各個重要質量特性項目的檢驗方法，規范性引用文件等.同時，要給定檢驗依據，包含產品圖樣、技術條件以及工程規范標準中包含的相關條文等.表明檢驗方法、檢驗結果的評定標準等.

以發動機連桿總成的檢驗方法為例，應明確理化檢驗、清潔度檢驗、尺寸及形位公差檢驗、性能檢驗、表面質量檢驗、解體檢驗、包裝質量檢驗等各方法及其詳細流程，其中性能檢驗包括密封性、標定點供油量、最大扭矩點供油量、起動油量、怠速油量、怠速供油量不均勻度、最大扭矩點油量不均勻度、標定點油量不均勻度、起動油量不均勻度、最高斷油轉速、怠速斷油轉速、出油閥開啟壓力、各缸出油閥開啟壓力差、基準缸供油預行程偏差、齒桿行程、增壓補償開啟壓力、終止壓力等.

再以噴油泵的解體檢驗為例，在檢驗規范中要明確檢查內容及重點檢查項目.檢查內容應有:①緊固螺栓、螺母力矩;②調速器的潤滑油脂應適量;③出油閥無卡滯、披鋒、毛刺、銹蝕;④ 各密封面粗糙度滿足要求.⑤調速器油封、后蓋密封圈、油門手柄、手油泵密封圈是否有破損;⑥ 柱塞是否滑動靈活，要求無卡滯;⑦凸輪軸軸向竄動量是否符合要求.重點檢查項目包括:①柱塞套O形圈是否完好;② 滾輪體與泵體是否有擦傷;③ 凸輪軸裝軸承和油封部位及對應泵體裝配部位是否擦傷;④調速器浮動桿內孔表面質量及滑塊在孔內滑動性;⑤ 調速器飛錘裝配質量;⑥擋油圈要能轉動但不能有軸向間隙;⑦柱塞法蘭套O型圈是否完好;⑧ 凸輪軸表面是否有刮傷;⑨ 出油閥緊座O型圈是否完好;⑩柱塞偶件是否有拉傷等.

3 實例分析

以下以某型機行駛20萬公里后無故障氣門鏈及配氣相位檢測和出油閥緊座的無故障檢測為例，對檢測方法進行說明.分析檢驗結果可以提供發動機關鍵部件各項經濟技術指標隨行駛里程的增加而變化的規律.據此既可以為發動機設計和生產部門進行改進設計和制定生產工藝提供理論依據，還可為發動機使用和管理部門掌握發動機的運行技術狀況和使用可靠性、合理安排使用及維修作業、正確而適時地做出各種管理決策提供可靠的保證.

表2 原機氣門間隙/mm

3.1 無故障氣門間隙以及配氣相位檢測

以某型機行駛20萬公里后無故障氣門間隙及配氣相位檢測為例.原機氣門間隙如表2所示[14]，技術要求為:進氣門間隙0.30±0.05 mm;排氣門間隙0.40±0.05 mm.經檢驗后各工況下的配氣相位如圖2～圖5所示，技術要求為:進氣門開:上止點前2°;關:下止點后26°.排氣門開:下止點前49°;關:上止點后5°.

圖2 進氣門開，上止點前配氣相位

圖3 進氣門關，下止點后配氣相位

圖4 排氣門開，下止點前配氣相位

圖5 排氣門關，上止點后配氣相位

通過將原機配氣相位與調整進、排氣門間隙后的配氣相位進行對比可見:進氣門開提前了、關滯后了，排氣門開滯后了、關提前了.

對發動機氣門鏈進行無故障拆解后，根據檢測情況做出如表3所示的評估.表3中標定等級:1為優，2為良，3為合格，4為不合格，5為無功能;“-”代表無異常狀況).

表3 氣門鏈無故障檢測評估表

3.2 出油閥緊座無故障檢測

同樣，以某型機行駛20萬公里后出油閥緊座無故障檢測為例，解體后發現第2缸出油閥緊座處出現裂紋.把裂紋打開，其形貌如圖6所示，發現裂紋源于內孔底面的過渡處.源區如白箭頭所指，為線狀多源，裂紋擴展方向如黑箭頭所指.在裂紋擴展區，存在疲勞輝紋，如圖7所示，表明出油閥緊座屬疲勞開裂.

圖6 出油閥緊座的裂紋打開后的形貌

圖7 裂紋擴展區存在疲勞輝紋

進行金相組織檢驗，為珠光體+網狀鐵素體+少量魏氏鐵素體，晶粒度5級，內孔底面過渡處不圓滑，無明顯圓角，如圖8所示.

圖8 出油閥緊座內孔底面過渡處的形貌

該出油閥緊座材質為45#鋼，硬度檢測為198 HB.由于出油閥緊座未經調質處理，其強度低;而內孔底面過渡處無明顯圓角，存在較嚴重的應力集中，故疲勞裂紋從內孔底面過渡處起源，并可能進一步擴展，直至貫穿壁厚.建議選用40Cr材料，經調質處理，硬度要求為26～31 HRC，內孔底面過渡處的圓角半徑不小于0.5.

4 結 論

無故障條件下的可靠性評估是可靠性領域中的重要問題之一，無故障檢測是進行可靠性評估和故障排除的另一重要手段.本文針對發動機產品，提出了進行行駛無故障檢測的方法，界定了檢測的內容和流程.根據檢測的結果對整機和部件的可靠性做出評定，并給出改進的建議和措施，對于提高發動機的安全可靠性有著積極的作用.而且，無故障檢測得到的數據是用戶的實際使用數據，是發動機可靠性最真實的反映，對于單臺機器或單個部件的可靠性評估和潛在故障原因分析起著重要的作用.但是，由于產品使用狀況和環境的復雜性，潛在的故障模式多樣、故障原因復雜，單靠單臺機器或單個部件的無故障檢測難以給出發動機的故障發生規律、使用可靠性以及各項技術經濟指標隨行駛里程的不斷增加而逐漸變化的規律.要對發動機做出全面的可靠性評估，還需從發動機大量的可靠性失效數據收集與分析入手，借助數理統計方法和以計算機技術為基礎的現代分析手段，對收集到的失效數據進行分析與處理，從而得到發動機及其零部件的失效規律.

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Analysis of tests on engines with driving fault－free

HUANG Kaiqi，BI Wen，GU Yingkui
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The paper explores the reliability and performance of engines with driving fault-free，and points out that the tests on engines should still be carried out in order to ensure its safety and reliability in operation even though there are no faults when their driving mileage is more than a certain value by analyzing the processes and methods of fault-free tests.The contents，processes and inspection specifications of their driving fault-free tests were defined.The comprehensive assessment of them and their parts should be carried out according to the test results.The tests of gas phase and delivery valve holder illustrated that the driving fault-free tests has positive significances for engines reliability evaluation，fault prediction，product structure improvement and quality assurance.

test with driving fault-free;engine;reliability evaluation;inspection specifications

2095-3046(2015)01-0081-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.014

TK407

A

2014-10-21

江西省自然科學基金資助項目(20132BAB206026);江西省教育廳科學技術研究資助項目(GJJ14420)

黃開啟(1969- )，男，副教授，主要從事車輛控制優化等方面的研究，E-mail:kaiqi.huang@163.com.