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发动机抱轴故障的研究与分析

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摘要：发动机在使用过程中出现主轴瓦、连杆瓦划瓦抱轴故障。经过对轴瓦材料、曲轴及缸体加工、装配过程、使用环境、轴瓦比压和冲击载荷试验等研究发现：铝基主轴瓦在高载荷的柴油机中使用，无法满足承载能力，因此薄弱的合金层容易磨损脱落，导致主轴瓦抱轴转瓦堵塞曲轴油道，最终导致对应缸连杆瓦也供油不足烧瓦抱死。本文通过对故障模式分析、工作原理研究及试验论证说明抱轴的根本原因，并提出合理改进建议。

关键词：主轴瓦；划瓦；材料；冲击载荷；磨损。

一、故障背景和描述

整车装配的某型号发动机在使用过程中出现主轴瓦单道抱轴故障，对应连杆瓦也烧瓦抱死，抱轴后轴瓦、曲轴等均报废无法使用，曲轴孔变形后缸体也无法使用，故障发生后发动机几乎报废，不仅影响整体质量和成本，还给用户造成经济损失。

图1第四道抱轴图2第七道抱轴

二、统计分析

（一）故障模式分类

经过对所有单道抱轴故障的分析统计，主要故障模式如图3，其中第四道最多、第七道和第五道其次。

（二）按马力统计

对以上所有单道抱轴故障发动机，按照马力段分析统计，故障主要集中在大马力机型，与发动机功率载荷关系密切。

图4单道抱轴各马力占比

（三）按使用工况统计

单道抱轴故障的车辆均为在重载荷100吨左右爬坡过程中发生，且读取ECU故障码得知，大部分均有超速记录（倒拖发动机现象）。

（四）小结

经过对故障模式、机型马力、使用工况等统计分析得知有以下几点共性：车辆发生抱轴故障时有超速记录、重载荷100吨、爬坡过程发生、曲轴中间第四道和与变速箱连接受力最大的第七道抱轴数量最多等。

三、原因分析

针对单道抱轴故障进行研究和分析，其中所有故障机的曲轴和缸体加工尺寸原始记录均合格，另外抽取与故障件相同时间段的零部件进行检测均无异常，包括装配力矩和配合间隙等相关数据，以上单道抱轴故障与以往分析原因—保养、机油、杂质、尺寸等因素关系不大，下面是对其根本原因的具体分析。

（一）曲轴工作原理分析

曲轴是一个横梁结构件，运转时需要承载较大冲击载荷，而在超速超载使用条件下曲轴运转时中间拱起现象被放大（尤其第四道和靠近速箱的第七道主轴承），主轴瓦上瓦承载能力降低，首先从红色箭头所示位置磨损脱落合金层，里程越长、超速超载次数越多，轴瓦磨损情况越严重，最后曲轴无法承载后导致抱轴整机损坏等恶性故障。

查询相关资料得知，铝基和铜基瓦优缺点及使用工况各不相同，具体如下。

铝基合金：

缺点：合金的疲劳强度较低，轻载荷下使用。

优点：合金的材料抗咬合性能特别好，而且易于和钢背材料粘结，拥有较好的耐蚀性、顺应性、嵌藏性、相容性及亲油性。

铜基合金：

缺点：材料的硬度较高，因此，顺应性、嵌藏性较差；合金中的铅易受润滑油中酸性物质的腐蚀，耐蚀性较差；价格较贵。

优点：疲劳强度高，承载能力、抗压能力、耐高温能力强。

（二）轴瓦比压及油膜仿真

1．轴瓦比压

由于主轴瓦设计时，为了保证轴承正常工作需要满足一定的比压值，计算公式如下。

主轴瓦设计厂家提供了柴油机的七道主轴承比压值仿真模拟数据，从模拟数据可以看出第四道轴承所受比压最高。如果发动机运行过程曲轴受到不平衡爆发压力和超转速运行情况，主轴瓦所受的比压会成倍放大，尤其4#最为明显。

2．油膜及轴瓦承压仿真

对主轴瓦承压及油膜仿真进行了试验分析，最小油膜厚度和最大油膜压力分布均符合设计要求，按照设计载荷仿真试验数据参数均符合设计要求，见图6。

图6

3．超速试验

在台架电动测功机进行两次发动机倒拖试验，分别见表4和表5方案，试验完成拆解时发现第四道主轴瓦上瓦轻度损伤，合金层脱落，即抱轴初期故障。

表4表5

（三）小结

通过对原理进行分析和轴瓦比压、油膜仿真、超速试验等相关研究可知：铝基A590轴瓦疲劳强度较低，不适合重载荷使用；车辆工况都是重载荷、爬坡、有超速记录等情况；国内载货汽车超载、超速情况普遍；大部分发生在受冲击较大的第四道和与变速箱离合器连接较近的第七道轴径；以上便是本机型单道抱轴故障的主要原因。

四、建议及改进

为避免出现类似的问题，提高在国内超速超载工况下的适应能力，采取以下措施：

全部使用疲劳强度高、适合高载荷运行的铜基G-81上瓦（国外目前主流产品）和铜基G-188下瓦；或者开发使用镶嵌性好的铝基A-370上瓦，但需要经过试验验证后方可使用。

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-全文完-