單士睿,董晨煜

(許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 許昌 461000)

0 引言

NY128柴油機(jī)主要用于拖拉機(jī)動(dòng)力,有些拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)了很短的一段時(shí)間便出現(xiàn)了柴油機(jī)拉瓦事故。拉瓦事故發(fā)生后,如果不及時(shí)進(jìn)行處理,輕者需要更換主軸瓦或活塞連桿瓦,重者甚至有可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體、曲軸報(bào)廢等問題。如果在正常鉆井過程中柴油機(jī)突然發(fā)生拉瓦故障停車,有可能會(huì)造成鉆機(jī)鉆具卡住,甚至造成這口井報(bào)廢。這一問題不但會(huì)給井隊(duì)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的干擾,同時(shí)也會(huì)造成用戶極大的經(jīng)濟(jì)損失。

出現(xiàn)拉瓦事故的發(fā)動(dòng)機(jī),多為季節(jié)交替過程中生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)問題很難解決,嚴(yán)重困擾著柴油機(jī)生產(chǎn)廠家。為此,通過對(duì)拉瓦產(chǎn)生的機(jī)理及可能引起拉瓦的各種情況進(jìn)行分析,找到有效解決拉瓦事故的關(guān)鍵因素。

1 主軸瓦拉瓦情況

拖拉機(jī)的柴油機(jī)拉瓦是較為嚴(yán)重的事故,對(duì)近5年來(lái)的用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)拖拉機(jī)柴油機(jī)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)看,大部分NY128拉瓦柴油機(jī)新機(jī)運(yùn)行時(shí)間不超過3 000h,或柴油機(jī)修理后1 500h內(nèi)出現(xiàn)了拉瓦現(xiàn)象。NY128柴油機(jī)主用于拖拉機(jī),平均運(yùn)行轉(zhuǎn)速在1 900r/min左右,功率小于300kW。除了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)拉瓦事故外,有些發(fā)動(dòng)機(jī)還未出廠在試車過程中就出現(xiàn)了拉瓦事故,并且大部分的拉瓦發(fā)動(dòng)機(jī)集中出現(xiàn)在冬季。

從拆解的發(fā)動(dòng)機(jī)可以看出:大部分主軸瓦拉瓦主要集中在第3、4道主軸瓦上面,能夠看到有很深的拉痕,嚴(yán)重時(shí)主要表現(xiàn)為下瓦合金層脫落現(xiàn)象,如圖1所示;主軸瓦背出現(xiàn)灼燒痕跡,如圖2所示。拉瓦發(fā)現(xiàn)較早時(shí)曲軸表面僅有少量拉痕,嚴(yán)重時(shí)主軸表面出現(xiàn)拉傷、燒黑甚至于磨細(xì)現(xiàn)象發(fā)生;而連桿瓦拉瓦新機(jī)發(fā)生得較少,基本沒有發(fā)生過。

圖1 12V190柴油機(jī)主軸瓦拉瓦情況。

圖2 主軸瓦瓦背。

2 柴油機(jī)拉瓦產(chǎn)生的原因分析

在正常工作狀態(tài)中,柴油機(jī)曲軸與軸瓦之間兩摩擦副金屬表面依靠分子間的引力,各自吸附機(jī)油油膜,曲軸與軸瓦金屬表面完全被這層油膜所隔開,不直接接觸,形成理想的摩擦狀態(tài)。一旦油膜發(fā)生破裂,理想狀態(tài)下的摩擦狀態(tài)遭到破壞,金屬之間直接接觸,發(fā)生干摩擦,從而造成表面較軟的金屬層脫落,甚至發(fā)生表面融合現(xiàn)象,這就是拉瓦產(chǎn)生的機(jī)理。

在工作過程中,柴油機(jī)潤(rùn)滑油在長(zhǎng)期的高溫條件下不斷氧化產(chǎn)生有機(jī)酸,對(duì)瓦的表面產(chǎn)生了腐蝕,且機(jī)油中或多或少地存在著微粒雜質(zhì),這些微粒雜質(zhì)進(jìn)入到曲軸與軸瓦之間,發(fā)生相互的摩擦,都會(huì)不同程度地造成曲軸或瓦的損傷[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)拉瓦初期表現(xiàn)在呼吸器廢氣大、機(jī)油濾芯內(nèi)有金屬鋁末,后期拉瓦嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、油壓低、發(fā)動(dòng)機(jī)異響甚至發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)冒煙等現(xiàn)象,更嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)連桿打爛機(jī)體的惡性事故。

下面從曲軸、機(jī)體、瓦、清潔度、裝配、使用等多個(gè)方面進(jìn)行討論,找到影響發(fā)動(dòng)機(jī)拉瓦的關(guān)鍵因素。

2.1 曲軸的影響

NY128柴油機(jī)曲軸采用的材料為35CrMo鍛造而成,曲軸軸頸經(jīng)過精磨后進(jìn)行氮化處理,然后再進(jìn)行拋光。曲軸表面的粗糙度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響尤為關(guān)鍵,柴油機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)表明:曲軸軸頸粗糙度為Ra0.2～Ra0.4之間時(shí),拉瓦的故障率較低;曲軸的粗糙度為Ra1.0時(shí),拉瓦的概率將明顯增加,高達(dá)8%[2]。如果表面光潔度不夠或者內(nèi)部有裂紋等均會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在運(yùn)行中出現(xiàn)故障。目前,NY128曲軸采取表面處理的方式為曲軸氮化后拋光。拋光時(shí),曲軸軸頸的出油孔應(yīng)特別注意:如果出油孔未得到較好的處理,在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)破壞油膜的建立,油孔出現(xiàn)燒灼的痕跡。

曲軸與軸承間隙的過大,機(jī)油泄露量多;軸承間隙過小,又易使局部地方形成不了潤(rùn)滑油膜,造成因潤(rùn)滑不足引起的曲軸異常磨損[3]。由拉瓦現(xiàn)象可以看出:拉瓦主要集中在曲軸中間的第3、4、5道主軸頸,第4主軸頸情況最為嚴(yán)重。這表明,曲軸與軸瓦之間配合存在明顯的問題:曲軸軸頸可能呈橢圓形,造成局部間隙過小,導(dǎo)致曲軸異常磨損現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 機(jī)體的影響

機(jī)體變形主軸孔同軸度超差,裝配后主軸瓦孔與曲軸配合間隙不當(dāng),發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中造成局部軸瓦間隙偏小,易與局部發(fā)生干摩擦,造成抱瓦事故。同樣的機(jī)體個(gè)別瓦孔尺寸超差或者裝配主軸瓦蓋與機(jī)體之間裝配錯(cuò)齒或出現(xiàn)齒形不配對(duì)現(xiàn)象,都會(huì)出現(xiàn)問題。正常情況下,NY128發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與機(jī)體瓦孔配合間隙為0.16～0.239mm。

機(jī)體主軸孔與主軸瓦貼合度不好,會(huì)造成主軸瓦局部受熱變大,熱傳導(dǎo)不良造成主軸瓦及曲軸非正常發(fā)生受熱膨脹,造成局部配合間隙減少及局部磨損,最后導(dǎo)致了拉瓦事故。因此,機(jī)體的氣缸孔與機(jī)體中心孔之間的垂直度也是一個(gè)重要的指標(biāo)。如果此數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo),會(huì)造成連桿瓦受力不均,很容易出現(xiàn)問題。

2.3 軸瓦的影響

NY128柴油機(jī)軸瓦采用的材料為高錫鋁合金,此種材料經(jīng)過多年的驗(yàn)證,目前使用的瓦完全能夠適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

對(duì)多臺(tái)拉瓦機(jī)組情況分析來(lái)看,連桿瓦出現(xiàn)問題主要表現(xiàn)在除了中間3道拉瓦嚴(yán)重外,其余的瓦基本沒有問題,可以排除瓦本身的質(zhì)量問題。

軸瓦裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)后,軸瓦出現(xiàn)的橢圓度要引起重視,軸瓦在裝配前進(jìn)行檢查,確保45°方向及90°方向不超過0.02mm。如果超差過大,在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能會(huì)造成局部曲軸與軸瓦間隙過小現(xiàn)象,導(dǎo)致拉瓦現(xiàn)象發(fā)生。

裝配時(shí),軸承蓋的扭緊力矩要控制。扭緊力過大,容易使軸瓦產(chǎn)生塑形變形,使瓦的彈開量消失導(dǎo)致報(bào)軸燒瓦現(xiàn)象發(fā)生;扭緊力過小,會(huì)使軸瓦在工作時(shí)產(chǎn)生微量的轉(zhuǎn)動(dòng)而使軸瓦異常磨損。

2.4 清潔度的影響

機(jī)體、曲軸、連桿、活塞及氣缸套等零部件在裝配前若沒有處理干凈,內(nèi)部存在金屬鐵屑或其它硬性顆粒,在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中通過油路的運(yùn)動(dòng)粘結(jié)在軸瓦上,曲軸與其接觸摩擦,運(yùn)轉(zhuǎn)過程中很容易造成軸瓦損傷。在瓦孔與瓦背之間存在磨粒的話,會(huì)使瓦背與機(jī)體主軸座孔表面接觸不良,使導(dǎo)熱性變差,引起軸瓦局部溫度升高,加劇了局部的磨損。因清潔度的問題會(huì)使軸瓦早起損壞失效的概率高達(dá)48.5%左右,通過對(duì)多起拉瓦事故機(jī)的拆解分析,能夠明顯看到有部分機(jī)組拉瓦是由于瓦劃傷加劇造成的拉瓦。在劃瓦初期,發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)表現(xiàn)為機(jī)組廢氣大、機(jī)油壓力低或發(fā)動(dòng)機(jī)有異響等現(xiàn)象[4]。

從部分發(fā)動(dòng)機(jī)拉瓦事故來(lái)看,清潔度較差的發(fā)動(dòng)機(jī)在初期會(huì)出現(xiàn)瓦片劃傷的情況,有硬性的物質(zhì)會(huì)嵌入到瓦軸中,短時(shí)間如果雜質(zhì)不再增多,發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷下可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),如長(zhǎng)期運(yùn)行下去,由于局部的拉傷造成局部油膜建立不好,出現(xiàn)過熱點(diǎn)造成瓦合金層的脫落,最后造成曲軸的拉傷。

2.5 機(jī)油的影響

機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響不可忽視,尤其是在冬季冷啟動(dòng)時(shí),機(jī)油溫度低粘度比較大,進(jìn)入曲軸軸承的油量較小,油膜不容易形成,如果啟動(dòng)前沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)潤(rùn)滑,會(huì)造成曲軸與軸瓦直接接觸,加快了軸瓦的磨損與破壞,因此在冷機(jī)啟動(dòng)前應(yīng)特別注意預(yù)供油或?qū)C(jī)油進(jìn)行提前加熱啟動(dòng)。正常情況下,中低速柴油機(jī)曲軸與主軸瓦之間的油膜厚度為5～10μm,而連桿軸瓦可承受低至1μm的油膜。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度的升高,軸頸與軸承之間的油膜厚度隨之降低,當(dāng)溫度高于150℃時(shí),油膜發(fā)生破裂無(wú)法形成,會(huì)導(dǎo)致曲軸軸頸與瓦之間發(fā)生金屬性的接觸,到了一定程度后會(huì)發(fā)生燒結(jié),從而造成燒瓦事故。在運(yùn)行過程中要特別注意機(jī)油粘度的變化,當(dāng)油溫升高粘度下降很低時(shí),油膜強(qiáng)度減弱,會(huì)造成軸瓦的迅速磨損。因此,操作過程中一定要對(duì)機(jī)油的粘度進(jìn)行檢查。

機(jī)油溫度與連桿大頭油膜厚度如圖3所示。

圖3 機(jī)油溫度與連桿大頭油膜厚度。

2.6 裝配問題

主軸承螺栓擰緊扭矩不當(dāng)或者連桿蓋或主軸承蓋錯(cuò)裝,均會(huì)造成曲軸不同程度的損傷。有時(shí)裝配過程中軸瓦發(fā)生磕碰等現(xiàn)象,會(huì)影響曲軸與軸瓦之間油膜建立,導(dǎo)致局部潤(rùn)滑不好,造成拉瓦現(xiàn)象。

裝配溫度也是一個(gè)關(guān)鍵的因素,對(duì)2根編號(hào)為SD11152、SD111348新加工的曲軸進(jìn)行了4組不同環(huán)境溫度下的靜態(tài)測(cè)量發(fā)現(xiàn):溫度對(duì)曲軸軸頸尺寸影響是很大的,表面溫度越高,變化率越大,如表1所示。加工后在環(huán)境溫度為0℃測(cè)量曲軸主軸頸為φ160mm,偏差為0。曲軸從0℃變化到49℃,曲軸軸頸方向?qū)⒃黾?.1mm。如果提高到200℃經(jīng)過測(cè)試,機(jī)體裝主軸瓦壓上緊至規(guī)定扭力,測(cè)量主軸瓦孔,測(cè)量3次,然后再加溫30℃的溫差變化進(jìn)行測(cè)量,機(jī)體主軸孔尺寸基本沒有變化。因此,曲軸在加工裝配過程中,曲軸與機(jī)體應(yīng)保持在正常的室溫下裝配,減少曲軸與機(jī)體配合間隙的變化率。

表1 曲軸在不同溫度下的變化率。

在冬季,如果曲軸的加工測(cè)量是在環(huán)境溫度較低的情況下進(jìn)行的,那么曲軸在低溫時(shí)加工的尺寸與裝配要求的尺寸會(huì)有所偏差。冬天生產(chǎn)的曲軸裝配后,發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與曲軸的間隙將小于在夏季發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與曲軸間的間隙,這也就解釋了為什么在冬天比夏天更容易出現(xiàn)拉瓦事故的原因。因此,很多的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商都要求恒溫加工、恒溫裝配是非常有道理且很有必要的。

2.7 零部件質(zhì)量問題

噴油器與高壓油泵是供油系統(tǒng)中的核心部件,在統(tǒng)計(jì)調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)有部分機(jī)組因噴油器進(jìn)油管連接處泄漏柴油造成氣缸蓋內(nèi)機(jī)油與柴油混合,降低了潤(rùn)滑油的粘度。高壓油泵柱塞磨損間隙大,柴油與機(jī)油混合進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng),導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油粘度低機(jī)油失效。

3 改進(jìn)方法

3.1 清潔度的提高

1)建立嚴(yán)格的清潔度控制措施。機(jī)體在裝配前通過油道沖洗機(jī),對(duì)機(jī)體的主油道孔、凸輪軸瓦孔、齒輪系孔等部位用機(jī)油進(jìn)行了循環(huán)沖洗,既保證機(jī)體油路的清潔,又對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了預(yù)潤(rùn)滑。曲軸由原來(lái)的1次煤油清洗改為現(xiàn)在的動(dòng)平衡前后各1次煤油清洗,然后進(jìn)行1次潤(rùn)滑油曲軸油路清洗,將曲軸的清潔度提升一個(gè)檔次。

2)連桿軸瓦、主軸瓦裝配前將表面擦拭干凈,涂抹干凈潤(rùn)滑油,確保清潔度后再進(jìn)行裝配。在經(jīng)過多次的試車拆解后,軸瓦的表面比較光滑,已經(jīng)沒有了嚴(yán)重的劃痕。通過多次的清潔度檢查,清潔度達(dá)到2 500mg以下,達(dá)到了控制的要求。

3)其它相關(guān)的油管系采用了超聲波清洗機(jī)對(duì)管內(nèi)壁進(jìn)行了清洗,有效地提高了油管系的清潔度,提升了整體的產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 加工及工藝方面

3.2.1 曲軸磨床精度不夠

有部分軸頸圓柱度不夠,最后使用手工修磨,這就造成了曲軸的圓柱度不夠,發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦與軸接觸過程中會(huì)出現(xiàn)間隙變化大的問題。為解決此問題,購(gòu)置了先進(jìn)的曲軸磨床1臺(tái),提高曲軸表面的粗糙度及主軸頸及連桿軸頸的圓柱度;同時(shí),制作了1臺(tái)曲軸光整機(jī),實(shí)現(xiàn)曲軸表面的自動(dòng)拋光,確保曲軸的粗糙度控制在Ra0.2以內(nèi),解決了曲軸油道孔拋光的問題,提高了曲軸的加工精度。

3.2.2 試車方面

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),內(nèi)燃機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)的磨損量占到總磨損量的60%～80%。尤其在冬季發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí),使用機(jī)油加熱車對(duì)NY128柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油進(jìn)行外循環(huán)預(yù)熱,可以有效地減少磨合時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)軸頸及軸瓦的磨損,降低拉瓦概率。機(jī)油溫度、水溫超過40℃后,可以進(jìn)行加載試驗(yàn)。試車過程中增加低速磨合時(shí)間,讓發(fā)動(dòng)機(jī)在1 000r/min左右先帶負(fù)載磨合一段時(shí)間后再逐漸增加轉(zhuǎn)速帶載,減少因試車不當(dāng)造成軸瓦的損傷現(xiàn)象發(fā)生。在磨合試驗(yàn)完成后,需要對(duì)機(jī)油進(jìn)行更換,將磨合過程中產(chǎn)生的金屬微粒通過機(jī)油全部放掉,加入新機(jī)油。試車放出的機(jī)油通過過濾裝置,進(jìn)行脫水、沉淀、過濾等方式循環(huán)利用,減少了油品的浪費(fèi),也提高了試車過程中的清潔度。

對(duì)試車座的試車臺(tái)車進(jìn)行了修理,原試車臺(tái)車輪子落下后不平整,導(dǎo)致試車臺(tái)架與地面部分為點(diǎn)接觸;修理后,平整試車臺(tái)架與地面能夠完全接觸,同時(shí)對(duì)聯(lián)軸器的中心高度也進(jìn)行了調(diào)整,提高了試車臺(tái)架的同軸度,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)磨止推片和拉瓦概率。

3.3 裝配方面

3.3.1 控制機(jī)體的同軸度

裝配柴油機(jī)選用同軸度在0.05mm以下的機(jī)體,且對(duì)主軸孔的尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的控制,保證機(jī)體與曲軸的配合間隙。裝配前,對(duì)機(jī)體與主軸瓦結(jié)合面涂抹龍膽粉進(jìn)行貼合度檢查,貼合度差的機(jī)體不允許使用。

3.3.2 裝配過程

軸瓦內(nèi)外表面擦拭干凈,用橡皮錘輕敲,保證瓦與瓦背的貼合。在瓦內(nèi)表面涂抹一層潤(rùn)滑油,確保裝配中曲軸與軸瓦不受到損傷,同時(shí)嚴(yán)格按照工藝要求的扭矩上緊主軸承螺母,避免出現(xiàn)擠瓦現(xiàn)象。根據(jù)曲軸軸頸與機(jī)體主軸徑尺寸進(jìn)行計(jì)算,裝配過程中嚴(yán)格控制主軸瓦間隙,保證軸瓦配合間隙在0.16～0.21mm之間,避免間隙過大或過小。

3.4 其它方面

潤(rùn)滑油的品質(zhì)直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行,目前的柴油機(jī)使用的是CD 15W/40,正常使用時(shí)應(yīng)使用這個(gè)標(biāo)號(hào)或高于此標(biāo)號(hào)的機(jī)油,保證發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑。要按照規(guī)定的時(shí)間對(duì)機(jī)油濾芯、機(jī)油進(jìn)行更換,機(jī)油長(zhǎng)時(shí)間使用以后會(huì)發(fā)生變質(zhì)、變臟,甚至于結(jié)膠,造成機(jī)油濾油壓差增大,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成主軸瓦、連桿瓦受損,還有可能會(huì)導(dǎo)致更大的事故。

控制主要零部件加工的環(huán)境溫度,機(jī)體、曲軸等部件精加工應(yīng)保持環(huán)境溫度在25℃左右,避免溫度對(duì)零部件的過大影響。在加工件測(cè)量時(shí),要確保與室溫相同后再測(cè)量,減少誤差。如果沒有辦法保證加工的環(huán)境溫度,應(yīng)根據(jù)曲軸的膨脹系數(shù)對(duì)曲軸與機(jī)體裝配的公差做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以滿足實(shí)際的曲軸與軸瓦的配合間隙要求。

4 結(jié)論

實(shí)踐表明:拖拉機(jī)用柴油機(jī)在零部件加工質(zhì)量、裝配質(zhì)量、零件質(zhì)量等多個(gè)方面提升后,沒有出現(xiàn)過大面積的拉瓦事故返廠機(jī),拉瓦事故發(fā)生率在逐年下降。近幾年沒有一臺(tái)NY128柴油機(jī)新機(jī)因拉瓦拉瓦事故返廠,拉瓦事故得到了有效的控制。