柴油機(jī)傳動(dòng)軸承磨損故障分析

高麗英，張樹勇，王延榮，朱美琳，劉玉婷，孫亞奇

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

高強(qiáng)化是車輛柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，通過(guò)不斷提高活塞平均有效壓力和活塞平均速度，可獲得更高的功率密度。隨著強(qiáng)化程度的提高，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的載荷和轉(zhuǎn)速也同步增加，柴油機(jī)滑動(dòng)軸承摩擦磨損問(wèn)題更加突出。長(zhǎng)期以來(lái)，各國(guó)學(xué)者針對(duì)柴油機(jī)活塞環(huán)-氣缸套、主軸承、連桿軸承、連桿小頭軸承等運(yùn)動(dòng)副開展了大量的仿真及試驗(yàn)研究。由于高緊湊設(shè)計(jì)要求，柴油機(jī)齒輪傳動(dòng)軸承逐步由滑動(dòng)軸承取代了原有的滾動(dòng)軸承，因此傳動(dòng)類滑動(dòng)軸承的磨損問(wèn)題也逐漸引起關(guān)注。

傳動(dòng)滑動(dòng)軸承所受載荷相對(duì)較低，但由于其薄壁支撐結(jié)構(gòu)剛度弱、高速齒輪振動(dòng)沖擊大、潤(rùn)滑油路結(jié)構(gòu)布置困難等問(wèn)題，使得傳動(dòng)軸承磨損故障頻發(fā)，磨損故障多為黏著磨損，雖然磨損類型相近，但不同位置不同功能的滑動(dòng)軸承磨損故障原因卻各不相同。鑒于此，本研究通過(guò)仿真和試驗(yàn)的方法，針對(duì)柴油機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩種典型的滑動(dòng)軸承磨損問(wèn)題進(jìn)行故障原因分析。

1 凸輪軸齒輪滑動(dòng)軸承磨損故障

某柴油機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，其凸輪軸齒輪軸承在起動(dòng)瞬時(shí)磨損故障頻發(fā)，表現(xiàn)形式為起動(dòng)過(guò)程中該軸承局部溫度驟升，滑動(dòng)軸承內(nèi)孔與齒輪軸發(fā)生嚴(yán)重黏著磨損，故障現(xiàn)象見(jiàn)圖1。

圖1 凸輪軸齒輪軸承故障圖

考慮到該軸承位于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油路的末端，因此在排除結(jié)構(gòu)布置及潤(rùn)滑油路合理性等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的情況下，主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中由于油路行程較長(zhǎng)而導(dǎo)致軸承短時(shí)缺油而引發(fā)的磨損。為此，搭建了與整機(jī)供油油路相同的部件試驗(yàn)裝置，一方面用于進(jìn)一步明確故障原因，另一方面借助該試驗(yàn)裝置驗(yàn)證軸承改進(jìn)方案。

圖2示出凸輪軸齒輪滑動(dòng)軸承部件試驗(yàn)裝置，主要由非標(biāo)機(jī)體、非標(biāo)氣缸蓋、非標(biāo)凸輪軸支承體、配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。該試驗(yàn)裝置在滑動(dòng)軸承中間位置安裝有溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)溫度實(shí)時(shí)變化。試驗(yàn)采用外源供油，供油油壓與整機(jī)保持一致，同時(shí)提供兩種不同的潤(rùn)滑條件：1)即時(shí)供油，即不經(jīng)過(guò)長(zhǎng)行程潤(rùn)滑油路，直接在滑動(dòng)軸承處設(shè)置潤(rùn)滑管路進(jìn)行強(qiáng)制供油；2)延遲供油，即模擬整機(jī)起動(dòng)時(shí)機(jī)油經(jīng)過(guò)長(zhǎng)行程油路到達(dá)軸承的過(guò)程。

圖2 凸輪軸齒輪軸承部件試驗(yàn)臺(tái)

1.1 故障原因分析

為對(duì)比在不同潤(rùn)滑條件下凸輪軸齒輪滑動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)，分別在即時(shí)供油和延遲供油條件下，在部件試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。

即時(shí)供油試驗(yàn)起動(dòng)時(shí)，記錄初始潤(rùn)滑油溫為22 ℃，轉(zhuǎn)速逐漸增加至1 500 r/min。重復(fù)3組試驗(yàn)，滑動(dòng)軸承處的溫度隨轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間逐漸升高(見(jiàn)圖3)。由圖3可看出，溫度瞬時(shí)變化未超過(guò)5 ℃，試驗(yàn)完成后拆檢發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)軸承內(nèi)表面光滑，未發(fā)生異常磨損。

圖3 即時(shí)供油條件下滑動(dòng)軸承溫度隨轉(zhuǎn)速變化

延遲供油試驗(yàn)起動(dòng)時(shí)，記錄初始潤(rùn)滑油溫為22 ℃，針對(duì)3個(gè)樣件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。各樣件運(yùn)轉(zhuǎn)30 s后滑動(dòng)軸承瞬時(shí)溫升平均為6.2 ℃，拆檢后滑動(dòng)軸承內(nèi)孔均發(fā)生磨損。圖4示出試樣1試驗(yàn)后結(jié)果，襯套邊緣出現(xiàn)變色現(xiàn)象。通過(guò)試驗(yàn)可確定軸承故障是由于長(zhǎng)行程油路導(dǎo)致整機(jī)起動(dòng)時(shí)短時(shí)缺油，使滑動(dòng)軸承處于干摩擦或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致軸承出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

表1 不同延遲供油時(shí)間試驗(yàn)記錄

圖4 延遲供油6 s滑動(dòng)軸承內(nèi)孔磨損圖

1.2 改進(jìn)方案

針對(duì)短時(shí)缺油易造成磨損的問(wèn)題，在不改變結(jié)構(gòu)的前提下，提出選用自潤(rùn)滑軸承替代原鋁青銅軸承以改善短時(shí)缺油時(shí)的摩擦狀態(tài)。本研究選用了具有自潤(rùn)滑特性的復(fù)合材料滑動(dòng)軸承，該軸承由低碳鋼、銅粉層、復(fù)合材料保護(hù)膜組成，銅粉層具有較好承載能力和耐磨性，保護(hù)膜厚度0.01～0.03 mm可保護(hù)對(duì)磨軸，同時(shí)具有良好的自潤(rùn)滑性能。

為驗(yàn)證自潤(rùn)滑軸承的改善效果，模擬整機(jī)起動(dòng)條件進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)速為300 r/min，記錄初始潤(rùn)滑油溫為30 ℃，油壓0.1 MPa。選用2個(gè)自潤(rùn)滑軸承樣件分別按照不同的延遲供油時(shí)間運(yùn)行30 s，滑動(dòng)軸承處的溫升值均未超過(guò)2.6 ℃，如圖5所示。每次試驗(yàn)拆檢發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)軸承內(nèi)孔表面光滑，無(wú)磨損痕跡。部件試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料自潤(rùn)滑軸承可滿足整機(jī)起動(dòng)工況的使用要求。

圖5 不同的延遲供油時(shí)間下滑動(dòng)軸承溫升變化

此外，考慮到自潤(rùn)滑軸承還需適應(yīng)柴油機(jī)全轉(zhuǎn)速要求，設(shè)計(jì)了整機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況試驗(yàn)。試驗(yàn)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)速500 r/min，記錄潤(rùn)滑油溫為30 ℃，油壓0.1 MPa。累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)60 min后滑動(dòng)軸承處的溫升值隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖6。由圖6可看出，溫度瞬時(shí)變化未超過(guò)5 ℃，試驗(yàn)完成后進(jìn)行拆檢，滑動(dòng)軸承內(nèi)表面光滑未發(fā)生磨損。復(fù)合材料自潤(rùn)滑軸承可滿足整機(jī)起動(dòng)及運(yùn)行工況的使用要求。

圖6 不同轉(zhuǎn)速條件下滑動(dòng)軸承隨時(shí)間的溫升變化

2 惰輪軸承磨損故障

在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，某惰輪軸承多次發(fā)生咬合故障，由于高速摩擦導(dǎo)致銅襯套表面材料不斷剝落，剝落的材料進(jìn)一步被擠壓至惰輪軸翻邊處，造成嚴(yán)重的黏著磨損，如圖7所示。該惰輪與曲軸齒輪嚙合，惰輪軸安裝在惰輪定位板上，惰輪定位板安裝在機(jī)體上，惰輪軸承結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。惰輪軸油孔位置靠近惰輪軸固定端，潤(rùn)滑油易從固定端一側(cè)流出，而在自由端一側(cè)油量較少，不僅承載能力下降，且自由端位置的機(jī)油冷卻能力也相應(yīng)降低，對(duì)軸承工作狀態(tài)有較大影響。鑒于上述考慮，后續(xù)將針對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸承潤(rùn)滑分析，進(jìn)一步確定軸承故障原因。

圖7 惰輪軸承故障圖及潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 惰輪軸承EHD分析模型

針對(duì)惰輪軸承，采用AVL Excite PU軟件，建立了惰輪軸承潤(rùn)滑分析EHD模型，如圖8所示。模型中對(duì)惰輪軸和齒輪分別縮聚，保留齒輪內(nèi)表面和惰輪軸外表面節(jié)點(diǎn)，惰輪軸與齒輪內(nèi)表面定義為面面接觸模擬整個(gè)惰輪軸承接觸的真實(shí)狀態(tài)，其中惰輪軸為固定約束；齒輪定義為3個(gè)平移自由度和一個(gè)繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其載荷激勵(lì)輸入由傳動(dòng)仿真分析獲得。

圖9和圖10分別示出惰輪軸承峰值壓力和粗糙接觸壓力曲線。由圖可知，該方案在輸入載荷較大的時(shí)刻峰值壓力較高，接近300 MPa，主要以粗糙接觸壓力為主。圖11和圖12分別示出不同轉(zhuǎn)角的最小填充率和最小填充率出現(xiàn)的軸向位置。由圖可知，假設(shè)初始時(shí)刻機(jī)油填充率為1，軸承機(jī)油填充率逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在峰值壓力時(shí)刻對(duì)應(yīng)的最小填充率僅為0.1左右，且都位于軸承自由端邊緣，表明在峰值載荷時(shí)刻，軸承自由端位置存在缺油的情況，易出現(xiàn)局部邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，導(dǎo)致摩擦生熱及磨損加劇。

圖9 惰輪軸承峰值壓力曲線

圖10 惰輪軸承粗糙接觸壓力曲線

圖11 惰輪軸承不同曲軸轉(zhuǎn)角下的最小填充率

圖12 惰輪軸承最小填充率出現(xiàn)的軸向位置

圖13和圖14示出在最大載荷時(shí)刻的油膜壓力分布和軸承平均熱載分布。圖中軸承峰值載荷及軸承局部熱載荷過(guò)高位置均靠近自由端，最高平均熱載為3 500 N/(mm·s)，進(jìn)一步表明在載荷較大時(shí)，邊緣位置將出現(xiàn)高溫導(dǎo)致黏著磨損。通過(guò)上述分析可確定該軸承是由于潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良導(dǎo)致軸承工作異常，進(jìn)而引發(fā)黏著磨損。

圖13 初始方案最大峰值載荷時(shí)刻油膜壓力分布

圖14 初始方案平均熱載分布

為改善結(jié)構(gòu)變形及潤(rùn)滑不良的問(wèn)題，調(diào)整了軸承潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)。將翻邊銅襯套分為直襯套和銅墊片，惰輪軸油孔布置在襯套中心位置(見(jiàn)圖15)。

圖15 惰輪襯套優(yōu)化方案

優(yōu)化方案的峰值壓力和粗糙接觸壓力均有較大幅度下降，優(yōu)化后的峰值壓力幅值最大為63 MPa(如圖16和圖17)，遠(yuǎn)小于材料的承載極限。如圖18和圖19所示，優(yōu)化方案的油膜壓力分布較好，最大承壓位置分布在軸承中部，相對(duì)于初始方案有較大改善。軸承平均熱載最高為450 N/(mm·s)，較原方案下降了87%。

圖16 潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后峰值壓力對(duì)比

圖17 潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后粗糙接觸壓力對(duì)比

圖18 優(yōu)化方案最大峰值載荷時(shí)刻油膜壓力分布

圖19 優(yōu)化方案平均熱載分布

3 結(jié)論

a) 凸輪軸齒輪滑動(dòng)軸承位于供油末端，在柴油機(jī)起動(dòng)瞬時(shí)處于干摩擦狀態(tài)，采用自潤(rùn)滑軸承可適應(yīng)短時(shí)缺油的工況，解決此類軸承磨損的問(wèn)題；

b) 惰輪滑動(dòng)軸承的故障原因?yàn)闈?rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，通過(guò)優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)、合理布置潤(rùn)滑油孔位置可有效解決此類軸承磨損問(wèn)題。