某柴油機增壓器斷軸原因分析及整改

喻昆，許濤，黃?？?/p>

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某柴油機增壓器斷軸原因分析及整改

喻昆，許濤，黃保科

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章對某柴油機增壓器的斷軸原因進行了詳細地調查分析，發現增壓器軸心軌跡不良是斷軸的主要原因。解決措施采用不帶油楔的浮動軸承，同時將渦端密封環槽開設位置由原來的渦輪頭上更改到中間軸上。對優化方案進行了多次試驗驗證，均未再次出現斷軸現象。

斷軸；軸心軌跡；油楔

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)09-61-03

1、現象描述

在某柴油機試驗過程中，出現了多臺增壓器失效的問題，具體表現為：發動機在運轉過程中突然停機或者發動機功率提不上去，中冷前壓力及溫度異常。而增壓器下臺架之后，壓端輪子可正常轉動，渦端輪子有兩臺已經與蝸殼抱死，另外兩臺渦輪完全脫落、渦輪葉片磨損嚴重（如圖1所示）。

圖1 增壓器失效狀態

對失效增壓器進行了拆解，發現增壓器出現了斷軸現象，斷軸的部位發生在渦端（如圖2所示），具體位置有兩處，一處位于滑動軸承的定位軸肩處，另一處位于軸與渦輪結合處的密封環部位。

圖2 增壓器斷軸位置（兩處）

另外增壓器斷軸還伴隨著葉輪磨損、蝸殼刮擦、浮動軸承磨損等一些列現象（如圖3所示）。

圖3 增壓器磨損情況

2、斷軸原因分析

1）檢查所有過度圓角的設計尺寸，并檢測庫存件圓角的實際加工尺寸及加工工藝。

經檢查，圖紙圓角的設計尺寸為R0.3±0.1，庫存件的抽檢結果也顯示過渡圓角的控制在涉及范圍之內；環槽處采用的是砂輪磨削工藝，砂輪為成型砂輪--砂輪磨好活塞環槽后，用金剛石滾輪對砂輪進行修正（100%零件修正）。因此可以初步排除過渡圓角應力集中引起的斷軸。

2）軸的材料檢查

軸的材料是一種合金結構鋼42CrMo4，檢測分析顯示失效件軸的化學成分滿足材料標準要求（如表1所示）。

表1 軸材料檢測結果

3）斷裂處軸的金相組織檢查

顯微鏡下軸的金相照片顯示軸的斷裂處無缺陷、組織正常（如圖4所示）。

圖4 金相組織檢查結果

4）軸心軌跡試驗

增壓器的軸心軌跡是指增壓器在運行過程中軸的中心相對于理論中心發生的偏移，軸心的偏移量隨時間的變化而變化，一段時間內軸心偏移位置的連線就形成軸心軌跡。軸心軌跡的影響因素非常多，比較重要的影響因素包括不平衡量、轉速、浮動軸承/軸/中間體之間的間隙、浮動軸承結構、振動等。

增壓器軸心軌跡變差，嚴重時會導致軸、浮動軸承、密封環及中間體等零件之間的油膜被破壞，形成磨損、斷裂等后果。

從拆解情況來看（斷軸樣件及一臺耐久試驗后的樣件），斷軸樣件及全速全負荷耐久樣件，渦輪端的密封環及環槽都出現了較嚴重的磨損（如圖5所示）。

圖5 斷軸件磨損情況

這個現象表明目前的增壓器樣件的輪子系統軸心軌跡不好，導致軸心軌跡問題的可能是密封環和活塞環槽之間潤滑不良、安裝不到位、軸與軸承的配合不好等因素。

發生斷軸的樣件采用的是帶油楔/油槽的浮動軸承（如圖6所示），該軸承雖然有利于存油潤滑，但是會引起軸心軌跡的偏移量比較大，這將導致軸心軌跡變差，進而使得軸與軸承之間、軸與渦端密封環之間發生磨損，最終導致斷軸。

圖6 浮動軸承結構圖

此外，該增壓器密封環槽開設在在渦輪頭上，而渦輪頭的材料相對偏軟，比較容易出現密封環和環槽不耐磨的問題，會進一步磨損造成軸晃動、軸心軌跡不穩，進而動平衡破壞、軸斷裂。

3、整改措施及試驗驗證

1）整改措施

圖7 改進樣件密封環位置及焊接位置

針對前面的分析，帶油楔/油槽的浮動軸承及密封環槽開設在在渦輪頭上是增壓器軸斷裂的主要原因，因此，整改樣件采用了不帶油楔的浮動軸承，采用Friction welded(摩擦焊接)，并將渦輪頭活塞環槽位置移至軸上（因為軸的硬度較高HV350~450，可以增強密封環與環槽的耐磨時間，延長增壓器的使用壽命），如圖7所示。

2）試驗驗證

（1）軸心軌跡試驗

為進行對比，分別對當前狀態及改進后的狀態進行軸心軌跡試驗，樣件狀態如表2所示。

表2 軸心軌跡試驗樣件狀態

軸心試驗結果如圖8所示。在穩態工況，兩個樣件的軸心軌跡均較好，明顯小于限值（圖中BW Limit）；而在瞬態工況下，當前狀態樣件（Sample 1）的軸心軌跡曲線波動較大，不平穩，而改進后樣件（Sample 2）的軸心軌跡情況明顯優于當前狀態，滿足限值要求。

圖8 軸心軌跡對比

（2）發動機可靠性試驗

除了軸心軌跡試驗外，還需在發動機上驗證優化后的增壓器是否還會出現斷軸現象。因此，在發動機臺架上進行了多輪可靠性試驗驗證，包括：300小時熱沖擊試驗，800小時交變試驗，均未再次出現斷軸現象（如圖9所示）。

圖9 可靠性試驗后改進狀態樣件磨損情況

4、結論

通過調查分析，找出導致斷軸的原因是軸心軌跡不好導致，解決措施是改用新的不帶油楔的浮動軸承，同時將渦端密封環槽開設位置由原來的渦輪頭更改到中間軸上。這樣一方面可以優化軸心軌跡，另一方面提高渦端密封環與中間軸的耐磨性，降低斷軸風險，提高增壓器壽命。

整改后，經過多輪可靠性試驗驗證，未再次出現斷軸現象，說明整改措施有效。此外，為保證產品質量，后期還需對投放市場的發動機產品進行長期跟蹤，防止出現增壓器斷軸現象。

[1] 陳家瑞. 汽車構造[M]. 北京：人民交通出版社. 2003,02.

[2] 仇鑫堯, 于成安. 一起MAN/NA-70主增壓器斷軸故障原因分析[J].航海技術,2001（03）.

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A diesel engine turbocharger has shaft-broken in trials, This paper analyzed the malfunction detailedly, find the malfunction was caused by badly shaft center trajectories. Effective measures was taken that a new floating bearing without oil wedge was used, and at the same time the groove used for installing isolation gasket was machining on the intermediate shaft which was cut on the turbine head before. Finally the optimized measures was tested repetitively, and the shaft-broken wasn’t recurred.

Shaft-broken; Shaft Center Trajectories; oil wedge

U472.4

A

1671-7988 (2017)09-61-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.09.023

喻昆，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。