内燃机滑动轴承磨损机理及失效分析

贾文静

摘要：内燃机工作条件较为复杂，特别是近年来其逐渐趋于高转速、高负荷等发展，以及人们对滑动轴承润滑机理研究不断深入，润滑设计在实践中不断完善，对内燃机滑动轴承抗磨损性、抗疲劳性提出新的要求，需开展其磨损机理分析，掌握其失效原因，采取针对性解决措施，减少滑动轴承磨损，延长其使用寿命。本文阐述轴承磨损机理基础上，分析柴油机磨损过程，最后分析内燃机滑动轴承磨损失效。

关键词：内燃机;滑动轴承;磨损机理;失效

中图分类号：TK4                                          文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）10-0142-02

0  引言

内燃机滑动轴承是机械核心零件之一，可靠性较高、工作平稳是其核心优点，但正常使用过程中，持续性对其造成磨损，以及失效现象屡见不鲜，影响其工作效率。内燃机滑动轴承磨损主要是其表面镀层磨损，其自身磨损程度成为影响轴承承载能力及使用寿命核心因素，所以为进一步保证内燃机滑动轴承使用可靠性，有必要开展其磨损机理分析，研究失效部位表现，确定失效直接及间接成因，采取针对性解决措施，对滑动轴承使用可靠性至关重要。

1  内燃机滑动轴承磨损机理

针对机械零件而言，其摩擦副从投产至损伤需历经三大阶段，即磨合、稳定、剧烈磨损，且三个阶段呈现的磨损表现不尽相同，主要体现在以下几方面：

1.1 磨合阶段

加工完成之后新零件表面存在一定粗糙程度，以及具有较为突出的尖峰，两个表面通过尖峰真实接触面积较小，所以微凸体间产生较大的接触压力，严重状况下会超出材料屈服强度限值，致使凸体材料发生位移，以及接触面发生变形即局部温度较高，形成熔焊，在其表面相对运动下被撕裂。同时，微凸体实际运动过程中，易出现划伤、碰撞等。因此，滑动轴承处于磨合阶段，磨损量急剧增高。此外，由于零件进行加工及装配时，其表面间隙未处于均匀状态，无法形成稳定的油膜，正处于润滑至混合润滑过渡阶段。零件持续性处于工作状态，凸体不断处于平缓，促使其接触面积不断增大，单位接触面积与其成反比，同时通过一定时间磨损之后，其油膜逐渐形成处于稳定状态，磨损率随之减小[1]。

1.2 稳定期磨损

稳定期滑动轴承磨损逐渐趋于平缓，磨损率持续性降低，并达到一定条件下其处于稳定状况，零件摩擦副表面形成稳定的油膜，处于润滑油充足工况下，其消除零件凸体间接触，改善气表面受力状况，促使凸体尖峰受力面积增大，处于均匀受力状态。此种运行条件，对减少轴承磨损具有一定促进作用，尤其是油膜厚度与接触面粗糙度之比为2：1，摩擦副润滑程度较佳，凸体间几乎未接触，摩擦表面传力主要依附于油膜，所以轴承磨损处于平稳状态。稳定磨损阶段是轴承正常工作状态，其保持周期与零件工作，以及磨合阶段磨合质量相关。由于机器启动或中断条件下，之前建立完整油膜被消除，润滑条件发生变化，磨合阶段磨合质量较佳的机器，其自身稳定磨损时间较长[2]。

1.3 剧烈磨损阶段

由于上述机械磨损处于稳定期，保持一段时间之后，受多方面因素影响，如润滑失效、载荷增加等，均加剧机器表面磨损程度。剧烈磨损是持续性受磨损最终产生的结构，具有一定的突发性及急剧性。机器处于剧烈磨损过程，不仅影响机器实际运行效率，而且自身运行产生噪声增大，摩擦副由于摩擦剧烈，内部温度持续性上升，导致零件被损伤。

上述机器磨损三个阶段并非是固定的，受多方面因素影响其处于动态化，不合理的磨合、非正常磨损工作条件均提前剧烈磨损阶段，造成机器早期磨损失效。磨合阶段过程中若载荷过小，亦或使用润滑油不合适，会推迟机械稳定磨损期，导致新设备投产使用时间推迟。反之若磨合阶段过短，机器磨合未处于最佳阶段，会导致机械出现早期磨损。

2  柴油机磨损过程

2.1 内燃机摩擦副及润滑系统

柴油机出厂之前需对整机开展系统性磨合，以及相关参数调试验证，核心目的在于改善运动副接触状态，运转柴油机的磨损主要体现在零部件摩擦副表面形态，以及接触状态发生变更，随着机器部件表面状态持续性变更，润滑状态逐渐趋于稳定阶段，从边界润滑转移至流体稳定润滑状态，进而避免柴油机过早出现磨损，提高柴油机工作效率及延长使用寿命。

2.2 柴油机磨损过程及其相关性

新柴油机零件或新安装的零件表面，存在一定的宏观、微观缺陷。机械处于磨合阶段，其运动副表面在接触下形成一定相对运动，接触面积较大其压力持续性增大，尖峰形成剧烈磨损，其表面结构和性质均发生变化。机械逐渐适应磨合条件，随着接触面积不断增加，其表面压力不断减小，磨损率下降。按照柴油机实际工作条件及磨损机理，着重分析其实际载荷、速度、摩擦副表面形貌等对磨损造成影响，由此分析其实际磨损量与载荷、速率、摩擦副状态成正相关。因此，分析柴油机整机磨合过程时，不仅需考量运行速率、载荷因素，而且需将摩擦副实际状态予以计入影响因素中，特别是润滑油影响[3]。

3  内燃机滑动轴承磨损失效分析

3.1 滑动轴承损坏形式及失效

滑动轴承工作具有平稳性及可靠性，但由于其易磨损，正常失效型式是磨损失效，轴承间隙较大超过磨损限值条件下，轴承无法进行正常工作，其实际磨损使用寿命达到设计值。一般针对滑动轴承失效分析，是针对处于非正常状态下造成机器损伤，其损坏形式未处于设计使用寿命损坏阶段。影响滑动轴承早期损伤因素较多，主要包含以下几方面：①结构设计缺乏合理性。滑动轴承结构设计缺乏合理性，主要体现在设计计算偏差较大，精度控制不当，轴承内部镀层材料选取不当等。②生产工艺、加工质量不佳。生产工艺、加工质量与轴承正常运行密切相关，若加工过程中造成其形成质量缺陷，易在后续使用过程中提早进入剧烈磨损阶段，缩短机器使用寿命年限。亦或加工方式滞后，造成其材料内部性能、尺寸等未满足相关精度要求。③装配工艺。装配工艺滞后、装配后精度难以满足设计要求，是影响其损坏核心因素。④使用及维护保养不当。机器使用过程中采取相应的维护保养，有助于消除机器运行存在不良隐患，促使其性能始终保持在最佳使用状态。然而，若机器投产使用之后持续性处于高温、高压工况下，忽视其机器维护及保养，会造成提早进入剧烈磨损阶段，影响机器工作效率及使用年限。⑤其他部件影響。润滑油失效、滤清器选取缺乏合理性等，均会导致轴承损伤。由上述因素表明，轴承损坏因素较多，且具有一定的复杂性，滑动轴承损坏现象是综合性成结果，所以对其进行失效分析时，需按照其表现形式分析，逐一确定其发生因素，如此保证有目的性、有针对性采取预防措施[4]。

3.2 内燃机滑动轴承损坏现象及其对策

内燃机滑动轴承损坏现象分析十分重要，需透过现象看本质，以此确定其损伤的主次因素，并采取针对性改进措施，提高滑动轴承运行效率，延长其使用寿命，包含以下七种现象，下面对其进行逐一分析：

3.2.1 划伤

机器表面存在划伤主要现象是表面沿旋转方向存在若干根划痕，核心损伤机理是由于大颗粒硬质机械划过机器表面，确定形成因素是轴承润滑间隙中存在一定的硬质颗粒，可能是润滑油内部存在物质，亦或装配工作未做好清洁工作。针对上述损坏现象应检查滤清成效，检查其他零部件是否存在磨损，润滑油内部是否存在硬质粒径，装配做好清洁工作。

3.2.2 磨粒磨损

工作表面核心承载区域内出现沿旋转方向细微摩擦痕迹，轴承间隙增大，损伤区域内呈现较亮的抛光面。损伤机理是机油中含有微小的杂质，持续性磨损机器表面，产生原因是润滑油过滤之后质量不佳，造成较大粒径进入机器表面，润滑油被污染。采取措施是利用光谱等方式进行分析，明确粒径相关参数，估测未来磨损趋势。同时，增强滤清成效，及时更换机油。

3.2.3 混合摩擦磨损

工作表面局部较为光滑，轴承间隙增大。此种现象形成的机理是油膜过薄，持续性处于混合摩擦状态下，造成区域内磨损。油膜厚度不足，承载力薄弱等是形成其核心因素，以及柴油机持续性处于高载荷工况。采取改善措施是使用轴瓦寿命若达标，属于正常范围内，应及时更换轴瓦，适当调整轴承参数，增加油膜厚度及承载力。

3.2.4 咬粘

工作表面大面积沿圆周方向出现沟痕，油槽及轴瓦边缘存在一定的残痕，轴颈表面也粘焊轴承合金。发生机理是轴承持续性处于工作状态，高温状况下合金软化，轴颈将其正在高压下拖动，形成粘驸及材料发生位移。形成此种因素较多，如轴承载荷较大、润滑油粘度较低、剧烈磨损形成温度增加等。若此种现象属于偶发性，可能是其他零件引起;若时常出现其他部件处于正常工况，需综合性进行考量：油膜整体厚度是否充足、承载力是否满足运行要求;润滑系统设计是否具有合理性、可靠性;轴承间隙与材料实际温度是否满足要求;材料许用比率值是否被超限。

3.2.5 偏磨

其呈现现象是轴瓦一侧边缘出现磨痕。形成核心因素是轴颈、轴承支座出现形变或加工偏边。采取措施是通过调整改善曲轴设计，增强其自身刚度;严控轴承颈锥度公差;连杆大端轴承出现损伤现象，需核查是否引起其轴承孔偏斜。

3.2.6 擦伤

工作表面局部区域内出现刻痕，具有明晰的界线。机器损伤机理是滑动轴承表面存在硬质粒径，持续性擦划表面，多见于油膜厚度较薄区域内，形成核心因素是机油滤清不佳，采取措施与划伤相同。

3.2.7 侵蚀磨损

主要是油孔、油槽边缘呈现冲刷磨痕，损伤机理是机器表面流动润滑油中存在一定磨粒，造成表面出现损伤。此种现象形成因素是润滑油质量不佳，流道设计不当致使流速过高。应改善其流道设计，拓宽油槽截面。

4  结束语

滑动轴承作为内燃机核心零部件，其具有一定的平稳定、可靠性，唯一不足是易损伤，影响工作效率及零部件使用年限。因此，为提高零部件使用效率及延长年限，应对其磨损机理展开系统性分析，掌握影响其磨损的主次因素，以及研究其失效根源，便于采取行之有效的策略改进，保证其使用性能优良，延长使用时间。

参考文献：

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