某柴油机第一档主轴瓦失效分析及改进

张辉，叶青阳（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

某柴油机第一档主轴瓦失效分析及改进

张辉，叶青阳
（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

某柴油机在开发阶段发生第一档主轴瓦失效，从设计、材料、发动机结构等几个方面进行了计算、分析，改进了轴瓦的合金材料，通过后续的耐久试验，验证了新方案的可靠性，使之能用于批量生产。

柴油机主轴瓦失效可靠性

1 前言

主轴瓦是柴油机的关键零部件之一，受到冲击性的燃气爆发压力及活塞连杆组的惯性力的交变载荷作用，承受曲轴的全部重量以及由于曲轴质量不平衡引起的离心力，确定曲轴在柴油机中的正确径向位置。由于每个轴承都要承受较高的载荷，而且轴颈转速很高，因此柴油机轴承都采用液体摩擦为理论基础的轴瓦式滑动轴承，借助于有一定压力的润滑油在轴颈与轴瓦之间形成油膜，建立液体摩擦，使柴油机能安全稳定地运行。如果主轴瓦失效，很容易造成发动机整机被敲坏，直接影响到车辆的驾驶安全性。本文针对本公司某系列柴油机上第一档主轴瓦失效的这一故障进行分析，找到根本原因和解决方法。

2 故障现象

故障柴油机是在本公司某系列柴油机基本型上通过扩缸、扩行程而来的新发动机，排量增加12%，功率增加5%，发动机其余基本参数不变。新柴油机在开发初期（样试阶段）连续发生第一档主轴瓦合金层疲劳剥落失效的问题，这在过去基本型柴油机开发过程中是没有出现过的。在新柴油机的整个开发过程中，第一档主轴瓦失效一共发生了5起，其他各档主轴瓦均正常。试验工况包括了冷热冲击循环、定型循环以及高速循环，几乎每台发动机第一档主轴瓦都发生失效，程度不一样，失效模式基本相同。

将所有试验后的失效轴瓦汇总并投影到平面图上，见图1。可以发现，失效位置（图中阴影位置）基本都是在同一位置，正好处于主轴瓦的主承载区位置并且靠近发动机后端。

3 原因分析

从轴瓦失效的模式以及位置可以看出，主轴瓦发生了合金层疲劳剥落，而且位置基本相同，存在一定的规律性。单从轴瓦方面来分析，造成合金层疲劳有多种因素：（1）轴瓦合金层材料承载能力不够；（2）零件尺寸不合格：轴瓦壁厚不均匀，机体座孔圆度不好，曲轴主轴颈圆度不好等；（3）装配过程以及零部件的清洁度不好。

图1 耐久试验后第一档主轴瓦失效位置

首先，对轴瓦设计的承载能力进行校核，由于该系列发动机是隧道式机体，导致这款发动机主轴承座孔有3种规格，其中第一档直径最小，中间三档直径次之，第五档直径最大。按现有发动机参数进行计算，第一档主轴瓦在原发动机上的理论载荷为42.1MPa，新发动机上的理论载荷为43.7MPa。目前国产化后所用的轴瓦材料和国外原图上所用轴瓦材料的对比见表1。

表1 第一档轴瓦材料对比

通过理论计算值可以看到，新发动机由于缸径加大，在相同爆压的情况下主轴瓦的比压略有增加，但差别不大，而目前选用的材料虽然与进口原机相比承载能力相差较多。但根据发动机目前的工况来看，即使主轴瓦承载能力只有50MPa，也完全可以满足设计要求。因此新发动机开发时直接借用了原发动机的轴瓦，未做任何改动。

其次，对会造成轴瓦失效的相关零部件（包括机体座孔，曲轴轴颈，轴瓦壁厚）的测量结果进行检查。测量结果表明，机体和曲轴的相关尺寸均符合图纸要求，没有超差；供应商测量的轴瓦壁厚以及半径高也均满足图纸要求。国产化后的图纸也与国外原图进行了比对，尺寸公差和技术要求是完全一样的，因此可以判定零件尺寸没有问题。

清洁度问题也是引起发动机轴承失效最常见的原因之一。从耐久试验后发动机其他档主轴瓦以及连杆轴瓦的工作表面看，磨损都很正常，没有因清洁度问题造成的拉丝或杂质嵌入的现象，并且故障轴瓦背面也无其他杂质嵌入的痕迹，因此可以排除因清洁度不佳而造成的轴瓦疲劳失效。

由于第一档轴瓦在原发动机上从未出现过此类失效，顺利完成了300 h、500 h以及900 h等一系列耐久试验考核。将新发动机与原发动机在输出参数上进行对比，见表2。

表2 新发动机与原发动机输出参数对比

通过对比可以发现，新发动机相比于原发动机，额定转速有所下降、飞轮惯量有所增加。而在相同设计条件下，发动机转速下降时，最小油膜间隙也会随之变小；同时飞轮惯量增大，会导致轴系弯矩增大，影响运转时的轴承间隙变大。

此外，新发动机和原发动机的前端轮系发生了很大的变化，见图2和图3。原机为横置发动机，整车带有电子风扇，因此发动机前端不需要安装风扇，轮系相对简单，整个轮系集中在发动机进气侧，曲轴前端受力向右，最大约1 700N。而新发动机为纵置发动机，前端需要安装风扇，轮系分布覆盖了整个发动机前端，曲轴前端受力向上，最大约2 600 N，比原机高出50%，而且方向朝上容易造成如图4和图5所示的情况，使主轴单侧受力，而主轴瓦失效的位置也正好都在该位置。

图2 原发动机附件轮系

图4 轴径受力弯曲导致偏载

图5 主轴瓦失效案例

对整个曲轴轴系进行CAE计算，第一档轴瓦的受力情况如图6和图7所示，危险位置正是新发动机轴瓦的失效位置。

图6 最大扭矩工况第一档轴瓦受力情况

4 改进措施及效果

根据以上分析，第一档主轴瓦在该失效处的载荷其实远远大于理论计算的平均载荷。由于发动机结构上的限制以及配套各管路接口的需求，无法再对发动机的前端附件轮系进行调整，所以也就无法改变目前第一档主轴瓦的承载位置，因此只有对轴瓦材料进行升级，来加强主轴瓦自身的承载能力，以满足发动机苛刻的使用要求。将国内常用的一些轴瓦材料进行对比，最终选择了类似于进口轴瓦材料的铜基合金+电镀材料，其推荐承载能力能够达到78MPa。

图7 额定工况第一档轴瓦受力情况

对采用新材料的主轴瓦重新进行了耐久考核，陆续进行了300 h热冲击、500 h高速和900 h定型耐久试验，均未出现疲劳失效现象。而耐久试验后轴瓦的磨损痕迹也印证了之前的判断和分析结果，在主轴瓦下瓦内侧以及上瓦外侧位置磨损痕迹非常明显，如图8所示。

图8 采用新材料轴瓦的耐久情况

5 结束语

本文着重分析了造成第一档主轴瓦疲劳失效的原因。由于基本型发动机和新开发发动机在结构上的差异性，使得发动机曲轴上前端附件皮带力和飞轮转动惯量受到影响，造成曲轴工作状态的变形量变大，最终导致第一档主轴瓦因局部载荷过高，超过其轴承材料的承载能力而疲劳失效。经过分析，选择了更好的轴承材料以提高轴瓦的承载能力，改进后的主轴瓦顺利通过发动机台架可靠性考核。

通过此次第一档主轴瓦的失效分析，轴瓦故障分析不但要从轴瓦自身设计上考虑，更要考虑到发动机整体结构对整个曲轴系统的影响，任何一个细微的变化都会导致曲轴的工作状态发生变化而最终影响到轴瓦的使用。该问题的解决过程和思路可以为今后其他发动机主轴瓦可能会出现的失效提供了一种可具借鉴的宝贵经验。

Failure Analysisand Improvementof the FirstMain Bearing ofa DieselEngine

Zhang Hui,Ye Qingyang
（ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.Shanghai200438,China）

For thequality problemssuch as firstmain bearing failureofa certain type dieselengine,the calculation and analysis are made from design,material and engine structure,finally the bearing alloy material are improved,the following engine endurance tests verify the reliability of the new design,which can beused formassproduction.

dieselengine,main bearing,failure,reliability

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.009

来稿日期：2017-04-12

张辉（1980-），男，工程师，主要研究方向为发动机活塞连杆组件的设计开发。