電動鉆機用柴油機連桿大頭軸瓦的設(shè)計分析與現(xiàn)場應用研究

李明曉，于靜，潘新霞，趙欣，程姍姍，王雪艷

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南 250300）

某型柴油機主要用于配套發(fā)電機組，滿足電動鉆機動力需求，柴油機在詳細設(shè)計時，對選用的某連桿大頭軸瓦進行了計算分析，分析內(nèi)容主要包括油膜情況以及摩擦損失等方面。在完成現(xiàn)場累計8000h運行后，對柴油機進行返廠拆解，并對拆檢主要摩擦副進行檢測。連桿大頭摩擦副為其中主要分析對象，除尺寸測量外，采用SED-EDS進行掃描檢測，對連桿大頭軸瓦微觀形貌進行捕捉和分析。

1 連桿大頭軸瓦設(shè)計分析

通過前期選型和計算比對，選定連桿大頭軸瓦材料化學成分如表1所示。

表1 軸瓦材料化學成分

1.1 模型搭建

圖1 所示為利用AVL EXCITE搭建的分析模型。計算工況為1800rpm轉(zhuǎn)速下，0、50%、110%負載工況，以及115%超速（2070rpm）情況下的軸瓦性能表現(xiàn)及油膜分布情況。

圖1 連桿大頭瓦分析模型

1.2 輸入?yún)?shù)

（1）基本參數(shù)。活塞及活塞銷總重14.205kg，連桿裝配總重17.9kg，部分基本參數(shù)見表2。

表2 基本輸入?yún)?shù)表

（2）載荷與約束條件。

氣動載荷：爆發(fā)壓力PFP=22MPa；

活塞總成慣性力：

連桿加速度：

圖2 所示為計算所需缸壓曲線。

圖2 柴油機缸壓曲線

1.3 結(jié)果分析

（1）軸瓦壓力分析。圖3所示為軸瓦所受總壓變化曲線。從圖中可以看出，在一個工作循環(huán)中，所有計算工況下，1800rpm，110%負荷軸瓦所受總壓峰值最大，為175.729MPa，其他工況時，軸瓦所受總壓均在70MPa以內(nèi)，遠小于設(shè)計推薦值180MPa，表明該軸瓦所受總壓在計算工況下，均在推薦值范圍內(nèi)，可以滿足長期運行設(shè)計要求。

圖3 軸瓦壓力曲線

（2）接觸壓力分析。圖4所示為接觸壓力曲線，峰值為40.1827MPa，小于設(shè)計推薦值60MPa，表明該軸瓦所受接觸壓力在推薦值范圍內(nèi)，可以滿足長期運行設(shè)計要求。

圖4 軸瓦接觸壓力峰值

（3）最小油膜厚度分析。圖5所示為各工況下油膜厚度變化曲線，圖中所示最小油膜厚度出現(xiàn)在1800rpm，110%負荷工況下，此時，油膜厚度為1.00265μm，而在油膜厚度大于1μm的情況下，軸瓦的磨損通常可以忽略，因此可認為滿足長期運行的設(shè)計要求。

圖5 最小油膜厚度

（4）小結(jié)。通過對連桿大頭軸瓦進行計算分析可知，該設(shè)計在總壓峰值、接觸應力以及最小油膜厚度方面，均滿足設(shè)計推薦值的要求，可以投入使用。

2 軸瓦拆檢情況分析

該型柴油機應用場景為井場電動鉆機配套發(fā)電動力，運行工況多變，且在鉆機起下鉆工況時為重負荷狀態(tài)，峰值情況下，柴油機功率短時可達到甚至超過110%負荷，這種惡劣工況條件對關(guān)鍵摩擦副的性能和可靠性影響嚴重。現(xiàn)場運行時長累計8000h后，對柴油機關(guān)鍵摩擦副進行返廠拆檢。連桿大頭軸瓦作為柴油機重要摩擦副之一，需對其在歷經(jīng)8000h運行后的狀態(tài)進行檢測和評估，驗證初始設(shè)計的合理性，對存在的問題進行分析并提出進一步改進措施，指導產(chǎn)品的完善和定型。連桿大頭軸瓦檢測內(nèi)容主要包括外觀尺寸檢測以及SEM-EDS掃描檢測兩個方面。

2.1 外觀尺寸檢測結(jié)果分析

拆解后的連桿大頭軸瓦，多缸上瓦油槽附近出現(xiàn)氣蝕痕跡，其他部位外觀檢查無明顯劃痕、燒蝕以及磨損，表面光潔，狀態(tài)良好，涂層表面如新，如圖6、圖7。

圖6 運行面狀態(tài)

圖7 7缸上瓦氣蝕痕跡

對連桿大頭軸瓦進行厚度測量，測點布置如圖8所示，上下軸瓦分別設(shè)置10個測點，飛輪端和自由端各5個。

圖8 測點布置圖

2.2 SEM-EDS掃面檢測分析

采用SEM（掃描式電子顯微鏡）和EDS（X光微區(qū)分析）對連桿大頭軸瓦部分截面和表面特征進行檢測。對外觀無明顯氣蝕的軸瓦主要承力區(qū)進行掃描，掃描結(jié)果見圖9。圖示軸瓦合金無氣孔、裂紋以及其他偏析情況，Pb分布均勻，表明承力區(qū)目前處于較為良好的狀態(tài)。圖10所示為涂層部分放大掃描圖，掃描結(jié)果可見光滑的涂層部分。

圖9 承力區(qū)掃描結(jié)果

圖10 涂層部分放大掃描結(jié)果

對外觀檢查中氣蝕最嚴重的7缸上軸瓦油槽附近位置進行局部掃描，如圖11所示。

圖11 氣蝕掃描位置示意圖

圖12 所示為氣蝕位置掃描結(jié)果。圖中所示合金層和涂層由于氣蝕的產(chǎn)生都有不同程度的損傷，在氣蝕影響最嚴重的部位，整個涂層被貫穿，最大損傷深度達到476μm，軸瓦有磨損，7缸上瓦磨損量最大為3μm。

圖12 氣蝕位置掃描結(jié)果

3 軸瓦性能評估

（1）從外觀檢測結(jié)果分析，軸瓦表面無異常磨損，無劃痕，表明在運行過程中，油膜以及油壓的建立效果較好，連桿大頭軸瓦整體運行狀態(tài)良好；部分軸瓦上瓦出現(xiàn)氣蝕，但就外觀而言，氣蝕較為輕微。

（2）從掃描結(jié)果分析，上軸瓦油槽附近有氣蝕情況出現(xiàn)，氣蝕深度最大476μm，涂層和合金均有不同程度破壞，而氣蝕影響最小的部位尚未破壞涂層。整體而言，氣蝕影響區(qū)域較小，影響深度較小，8000h運行后最大磨損量3μm的整體水平基本可以滿足柴油機35000h大修壽命的要求。

4 結(jié)語

（1）該型柴油機連桿大頭軸瓦的設(shè)計滿足不同工況下的設(shè)計推薦值，在實際運行過程中，8000h無故障，表明該設(shè)計滿足實際運行工況的需要，軸瓦摩擦副表現(xiàn)良好，運行壽命預期可滿足柴油機大修周期要求。

（2）出現(xiàn)氣蝕的部位位置均處于上瓦油槽附近，考慮此處由于油槽的存在，導致滑油流動不連續(xù)從而出現(xiàn)紊流以及局部壓力降低，形成氣穴，導致氣蝕。后期可對油槽結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將銳邊進行倒鈍處理，或適當提高供油壓力，進一步觀察氣蝕情況是否有所改善。