某型中速柴油机高压油泵凸轮轴故障分析

0 引言

高压共轨式燃油喷射系统是柴油机的核心部件，其功能是将燃油增压后准确地以雾化状态喷入燃烧室，与空气形成混合燃烧气体，保证柴油机燃烧和做功的需要，而高压油泵是燃油喷射系统的重要部件，属于柴油机的关键部套

。高压油泵的功用是在凸轮轴的驱动下泵油部件提高燃油压力，并将高压燃油源源不断地输送至共轨轨管中

。凸轮轴是高压油泵的重要零件

，一旦发生故障，会造成高压油泵停止供油，将直接导致柴油机动力减弱甚至失去动力

。本文针对某型中速柴油机运行过程中轨压骤降问题进行故障分析，建立故障树逐一排查分析故障原因，提出整改措施，结合试验手段对整改后的产品进行试验验证，借此对避免同类问题提出预防措施。

1 故障现象

在柴油机运行过程中，80%工况时，轨压出现骤降，同时，比例阀电流降至0A以增大进油口截面积维持最大供油，但轨压仍未见上升，手动降载停机。根据故障现象进行了现场初步检查，结果如下：

(1)检查低压燃油供油泵，供油压力正常；

(2)对高压油泵、高压油管、共轨管等高压密封处进行检查，未发现高压异常泄漏，且限流阀关闭；

(3)共轨管上限压阀未开启；

小儿上呼吸道感染后往往会进一步引发喘息行支气管炎,这已成为急性呼吸道感染的主要临床表现之一[1]。临床上主要表现为咳嗽,起初为干咳,而后有痰,婴幼儿全身症状较重,通常伴有发热,多见于伴有过敏史的3岁以下婴幼儿;此外,小儿喘息性支气管炎往往伴有呼气性呼吸困难等类似哮喘的症状,肺部叩诊呈鼓音,听诊双肺满布哮鸣音及少量粗湿啰音[2]。本研究重点探索氧气雾化吸入对于治疗小儿喘息性支气管炎的临床效果,现具体报告如下:

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(2)断口分析

综上，初步定位故障直接原因为：高压油泵凸轮轴断裂造成高压油泵失去供油能力，进而导致轨压下降等一系列现象。

2 故障分析

2.1 拆检情况

对柴油机进行拆检发现，高压油泵凸轮轴从驱动端轴颈根部圆角R处断裂，高压油泵传动齿轮及惰轮出现打齿现象，齿轮箱安装部位内侧两端有齿轮端面摩擦痕迹。

根据柴油机拆检情况可判定高压油泵凸轮轴断裂是导致高压油泵失去供油能力是导致轨压下降的直接原因，凸轮轴断裂导致高压油泵传动齿轮及惰轮出现打齿现象。

对高压油泵进行拆检：高压油泵的泵盖部件、柱塞偶件、柱塞弹簧、比例电磁阀等部件均完好；导向活塞、滚轮、凸轮型面、轴颈、轴瓦等传动部件均未见异常磨损；高压油泵凸轮轴驱动端从轴颈根部圆角部位断裂，齿轮齿顶损伤严重；油泵齿轮并紧螺母未见松动，半圆键完好，锥面匹配紧实完好。凸轮轴断裂示意图如图1所示。

根据高压油泵拆检结果可判断，高压油泵内部泵油部件、传动部件完好，可排除高压油泵自身供油功能异常导致凸轮轴断裂的可能性。

2.2 故障可能原因

凸轮轴原材料为高强度合金钢，韧性好，在大型齿轮、传动轴、曲轴、活塞销上均广泛应用。凸轮轴在使用过程中，主要受到来自的滚轮部件向下的力、各滑动轴承处的支持力、传动齿轮传递的扭矩。针对凸轮轴根部应力集中情况进行强度仿真计算(见图3)，考虑到柴油机的冲击、振动等因素，按传递最大扭矩的1.5倍进行强度校核仿真计算，计算得出根部圆角处最大应力38.6MPa，远小于材料疲劳极限，因此可排除R角设计过小是导致凸轮轴断裂的原因。

2.3 故障排查

2.3.1 设计校核

根据故障情况及拆检情况，油泵内部泵油及驱动机构相关部件完好，可以排除油泵自身供油功能异常(如柱塞副咬卡、导向活塞咬卡等、轴瓦抱死等)造成阻力过大，最终导致凸轮轴断裂发生的可能性。针对可能造成凸轮轴断裂的原因进行分析，并建立故障树(见图2)，对设计、材料、热处理、加工及装配定位等方面进行逐一排查分析。

2.3.2 理化检测分析

分别对高压油泵凸轮轴断口裂纹源区、平面、轴颈的横向剖面试样进行渗碳淬火硬化层深度检验进行维氏硬度测定，硬度值均符合设计要求。

通过对凸轮轴基体取样金相化学成份检验分析，各元素含量符合原材料标准要求。

通过对竖井、缓斜井两种方案进行对比分析：①地质条件较差，洞身围岩以Ⅴ类为主，岩层倾角缓，有利于竖井施工，而缓斜井方案易塌方；②竖井施工可边打边衬，利于施工安全，缓斜井衬砌至少距离掌子面30m，且施工干扰较大；③主洞施工出现较大涌水时，缓斜井方案利于人员安全；竖井埋深较浅，在做好排水措施、人员逃生安全措施的情况下，也可保证施工安全；④竖井施工工程量小，井筒工期短、进度风险可控；缓斜井施工工程量大，工期较长，且受地质条件和长度影响，进度风险较高；⑤竖井方案投资低，增加投资的风险较低；缓斜井方案投资高，且增加投资的风险较高。

(1)元素、硬度检测

(4)通过齿轮箱观察孔用内窥镜观察，发现高压油泵驱动端齿轮倾斜，凸轮轴靠近油泵端部有裂痕。

轴颈表面较光滑，表面显微组织为回火马氏体，心部显微组织为回火马氏体+回火贝氏体。

(3)微观形貌

截取凸轮轴裂纹源剖面、轴颈的剖面试样，经处理后置于显微镜下观察，结果如图7、图8所示。

裂纹起源于根部圆角R处，裂纹源表面断口存在挤压损伤层，裂纹源附近R角表面凹凸不平，局部存在微裂纹；R角表面及其连接的平面近R处表面无渗碳淬火硬化层，显微组织为回火马氏体；R连接的平面距R稍远处表面存在渗碳淬火硬化层，硬化层显微组织为回火马氏体+少量残余奥氏体+少量颗粒状碳化物，均符合设计要求。

Excel初步计算后所有的试验数据利用SPSS17.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan's法多重比较，试验结果均采用“平均值±标准差”的形式表示，P＜0.05表示差异显著。并用Origin 8.0作柱状图显示结果。

将凸轮轴断口置于扫描电镜下观察：裂纹源区的形貌见图4，裂纹源区断口磨损严重；图5为裂纹扩展区的疲劳辉纹特征；图6为瞬断区的韧窝特征。

通过以上分析可知，原材料化学成分符合材料标准，硬度符合设计要求，金相组织未见明显异常，可排除凸轮轴材料缺陷、热处理组织异常等因素造成断轴的可能性。

根据国标GB/T10561—2005对基体非金属夹杂物进行评级，结果为：A0.5，B0.5，C0，D0.5，DS0。基体显微组织为回火马氏体+回火贝氏体。

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2.3.3 根部圆角R加工情况

该圆角R的加工过程依次为粗加工、渗碳、精车、喷丸、淬火、精磨。对故障件同批次凸轮轴R角加工情况进行复检，通过显微观测对R角尺寸进行检查，R角尺寸均符合设计要求。对同批次凸轮轴进行荧光磁粉探伤及超声波探伤，均未发现异常。

R角加工情况如图11所示，可明显看出R角与端面、外圆面外观差异，经查R角表面喷丸后未进行精磨加工，R角与外圆面及端面存在接刀痕。复查凸轮轴加工工艺文件，R角与外圆面非一次加工成型，且加工后未对R角与外圆面交接处进行圆滑过渡加工。通过轮廓仪检测R角轮廓， R角与轴颈外圆面交接处非圆滑过渡，导致交接处应力集中，因此不能排除加工导致凸轮轴断裂的可能性。

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2.3.4 装配及安装定位检查

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高压油泵的安装及传动轮的安装定位对齿轮啮合传动有重要影响，主要影响因素包括：凸轮轴、齿轮、法兰之间的定位尺寸与形位公差，齿轮箱与传动轮的定位尺寸及形位公差，都直接影响齿轮装配间隙与贴合度。复检凸轮轴、油泵齿轮、法兰等安装定位尺寸与形位公差、齿隙均符合设计要求。通过在齿面抹红丹检测齿轮受力面啮合情况，啮合痕迹在齿面上呈现为规则的矩形，表面两齿轮轴线平行度较好，因此齿轮啮合正常，表明惰轮及高压油泵安装定位正常。

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综合上述分析，排除了设计、原材料、热处理、安装定位方面的原因。裂纹起源于R角处，可基本判定是R角与外圆交接处应力集中，在交变应力作用下导致凸轮轴产生微裂纹，以疲劳方式扩展至断裂。

2.4 改进验证及预防措施

2.4.1 改进验证

本次故障的主要原因是凸轮轴根部R角与外圆交接处有接刀痕导致应力集中导致凸轮轴断裂。对同批凸轮轴R角表面进行抛光使交接处圆滑过渡，同时提高R角表面粗糙度。

在厂内进行连续1000h全负荷工况平台试验，试验过程中未出现异常，试验完成后对高压油泵进行拆检，结合磁粉探伤、超声波探伤等检查手段检测凸轮轴使用情况，检测未发现异常。同时，跟踪发用户装机的20台高压油泵，使用过程中均未出现异常。

2.4.2 预防措施

(1)由于柴油机燃油系统属故障多发部位，对燃油系统的装配应重视规范高压油泵的安装，以及传动系零部件的安装定位，并进行装配后的项目试验验收。

(2)加强对凸轮轴等受力较大的零部件原材料、热处理过程以及机加工质量的过程监督，并按阶段组织对应专家评审会，固化加工工艺，对成品要进行严格仔细探伤检测。

(3)凸轮轴等轴类零件传递扭矩大，轴颈根部属主要应力集中部位，在设计时应尽量设计较大的过渡圆角，提高安全系数，并进行强度仿真计算验证，且与R角各交接处应圆滑过渡。

3.1 职称、学历、医院级别均影响指南认知与应用 本研究中，眼科医师对临床指南的重要性普遍持认可态度，但多对临床指南，特别是对循证临床指南的认知尚浅，指南的临床应用亦存在障碍。同时，眼科医师的教育背景、职称等均影响指南认知与应用。在指南的制定中，高级专家团队占主导地位，而指南的批判性评价和应用涉及各级眼科医师。因此，向各级医师培训循证指南制定、评价等相关知识，以及更好地介绍、推广和普及现有指南，具有重要意义。

3 结束语

通过上述排查分析，凸轮轴失效模式为疲劳开裂，裂纹源位于轴颈根部加工圆角R处；凸轮轴理化分析未见明显异常，R角设计安全系数较高；R角与外圆交接处过渡不圆滑，属应力集中区域；高压油泵安装定位尺寸满足设计要求。因此，凸轮轴R角加工因素是本次故障发生的主要原因，通过对加工工艺进行优化，提高R角加工质量，优化后的凸轮轴经使用验证情况良好。

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