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汽車發(fā)動機軸承失效與潤滑系統(tǒng)的相關(guān)性分析

2013-11-22

李柱國　譚業(yè)琴
（上海交通大學機械與動工程學院，上?！?00030）
　　摘　要：介紹了汽車發(fā)動機軸承的主要磨損失效型式，提出了與失效相關(guān)的潤滑系統(tǒng)的重要性，強調(diào)了潤滑油的關(guān)鍵作用。用性能好的品牌潤滑油，隨機監(jiān)測油的狀態(tài)是預防發(fā)動機軸承磨損失效的Z好方式。
　　關(guān)鍵詞：磨損失效；潤滑系統(tǒng)；相關(guān)性分析
　　1　發(fā)動機軸承磨損失效的類型
　　汽車發(fā)動機的連桿軸承和曲軸主軸承是主要的摩擦副。其主要的損壞形式是磨損失效。根據(jù)軸承失效表面的外觀現(xiàn)象、產(chǎn)生的機理、工況的變化和環(huán)境的差異，通?？梢园涯p失效分為四大類：磨粒磨損、疲勞磨損、粘著磨損以及腐蝕磨損。每一大類的損壞形式，有時又可以根據(jù)呈現(xiàn)嚴重程度的不同，損壞部位的不同以及導致失效的直接原因不同而細化，有時也稱為：擦傷、刮傷、偏磨、侵蝕、龜裂、剝離、氣蝕和咬粘等。Z為嚴重的導致發(fā)動機停機的失效就是曲軸咬死。GB/T 18844-2002《滑動軸承》中詳細規(guī)定了發(fā)動機滑動軸承的失效名稱、定義及原因分析。實踐證明，發(fā)動機軸承的失效是現(xiàn)象，軸瓦合金層的磨損失效只是發(fā)動機非正常運行的初期征兆。因為對于汽車發(fā)動機軸承這一對摩擦副而言，曲軸是主要的，軸承是保護軸頸的。顯然從設(shè)計到制造均定位為從屬件，也就是說，與硬曲軸相比，軟軸瓦是弱者，是易損件。發(fā)動機出現(xiàn)異常工況，如果軸承油膜破裂，首先犧牲的是軸承零件。通常只有軸瓦合金表面層被磨損或被損壞以后，它才反過來去傷害、磨損軸頸。通常軸瓦出現(xiàn)故障問題。
　　90%以上是其它相關(guān)零件的原因，可能是曲軸、軸承座的形狀、尺寸以及精度（包括安裝精度）的影響結(jié)果，也可能是潤滑系統(tǒng)異常的結(jié)果，還有可能是操作者非正常操作或誤操作的影響結(jié)果。圖1為內(nèi)燃機軸承系統(tǒng)相關(guān)因素。圖2為異物導致的失效過程分析。圖3為發(fā)動機軸承粘著燒傷過程。表1為汽車發(fā)動機軸承的失效原因統(tǒng)計。顯然潤滑失效、油膜破裂和金屬與金屬的固體接觸是磨損故障的直接原因。

圖1 發(fā)動機軸承系統(tǒng)相關(guān)因素

圖2 發(fā)動機中的異物和產(chǎn)生的故障過程

圖3 發(fā)動機滑動軸承燒傷過程
表1 汽車發(fā)動機軸承主要損壞原因統(tǒng)計
　　2　汽車發(fā)動機潤滑系統(tǒng)
　　汽車發(fā)動機潤滑系統(tǒng)應包括：油泵、濾清器、油路、油孔和油槽等。該系統(tǒng)能保證向活塞、活塞環(huán)與氣缸、曲軸主軸頸與主軸瓦、連桿小頭活塞銷與連桿小頭軸套、曲軸連桿軸頸與連桿大頭軸瓦以及氣閥推桿與凸輪和內(nèi)傳動齒輪組等所有摩擦副群連續(xù)地、充分地提供潤滑油。
　　鑒于汽車發(fā)動機的工況特點，除了上述潤滑功能外，汽車發(fā)動機潤滑系統(tǒng)還應該具有下列功能：冷卻功能，循環(huán)流動的潤滑油把上述摩擦副工作時產(chǎn)生的熱量帶走，防止軸承合金材料熔融，軟化遷移。另外，還應具有清洗功能，循環(huán)流動的潤滑油，將各運動副產(chǎn)生的磨粒，或外來侵入的雜質(zhì)物，以及潤滑油在惡劣工況下形成的沉積物，能經(jīng)過濾清器或清油器清除掉，從而防止油路、油孔和油槽的堵塞。總之，潤滑系統(tǒng)連續(xù)充足地向發(fā)動機摩擦副群供給清潔潤滑油是保證發(fā)動機穩(wěn)定，長期正常運轉(zhuǎn)的必要條件。所謂汽車“無機油行馳XXXX公里”的廣告純屬天方夜譚的故事。不同的發(fā)動機采用不同類型的潤滑系統(tǒng)。圖4為一般6缸發(fā)動機壓力潤滑系統(tǒng)。

圖4 發(fā)動機潤滑系統(tǒng)
　　3　正確選用高質(zhì)量的潤滑油
　　眾所周知，發(fā)動機軸承既要傳遞載荷扭矩，又要傳遞運動，這必然產(chǎn)生摩擦和磨損。而防止異常磨損。減小摩擦的主要方法就是潤滑。除了前述潤滑系統(tǒng)的正確設(shè)計之外，選用高質(zhì)量的、滿足發(fā)動機高要求的，規(guī)定牌號的潤滑油非常重要。用錯牌號油，用劣質(zhì)假油導致發(fā)動機停車的事故也不少見。
　　表征潤滑油性能的參數(shù)主要有：粘度、油性、閃點、凝點、堿值、水分以及抗氧安定性、抗磨性和抗極壓性等。發(fā)動機啟動、停車或異常工況，軸承工作表面與軸頸表面之間會出現(xiàn)瞬時油膜破裂的邊界摩擦狀態(tài)，表面可能會呈現(xiàn)局部粘著現(xiàn)象，含有抗極壓性能或抗磨性能添加劑的油品就可以及時為摩擦表面提供瞬時保護及修補，防止嚴重磨損導致咬死。
　　現(xiàn)代汽車發(fā)動機為了減少振動、降低噪聲，要求發(fā)動機的摩擦副間隙更小，這也就相應要求潤滑油性能更好。潤滑油的性能依賴于基礎(chǔ)油的質(zhì)量以及添加劑的成份、比例和品質(zhì)。
　　4　發(fā)動機軸承失效的預測預防
　　發(fā)動機軸承的失效形式是多方面的，導致?lián)p壞的原因也是錯綜復雜的，所以為了更有效的預測滑動軸承的失效，目前一種系統(tǒng)分析方法——油樣分析技術(shù)已逐漸在滑動軸承的故障診斷、預測、預防和狀態(tài)監(jiān)測中得到應用。
　　發(fā)動機滑動軸承潤滑系統(tǒng)摩擦副群的狀態(tài)監(jiān)測及預測和預防相關(guān)性見圖5。

圖5 發(fā)動機潤滑系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、預測、預防
　　油樣分析技術(shù)就是一種從潤滑系統(tǒng)中獲取有關(guān)機器設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)的各種信息，從而對設(shè)備的關(guān)鍵運動零件的磨損及潤滑狀態(tài)進行診斷預測的技術(shù)。近十幾年中油樣分析技術(shù)發(fā)展很快，尤其是對發(fā)動機，齒輪傳動、滑動軸承系統(tǒng)以及液壓傳動系統(tǒng)等諸方面的故障診斷和預測預防方面取得了較大的進展，并且獲得了顯著的經(jīng)濟效益。
　　油樣分析技術(shù)主要包括：油品的理化分析技術(shù)、油樣所含磨粒的鐵譜分析技術(shù)以及光譜分析技術(shù)。它們之間既是獨立的，各具有特點，同時又是相輔相成，互為補充的。所以，目前多數(shù)專家認為，而且實踐也表明：綜合分析方法往往是Z可取的，它可以彌補單一方法的不足和誤測及誤判。因此，機械設(shè)備，尤其是滑動軸承系統(tǒng)的故障診斷，預測預防已逐漸采用油樣分析技術(shù)作為監(jiān)測手段之一。圖6為滑動軸承系統(tǒng)油樣分析技術(shù)組成示意。

圖6 滑動軸承油樣分析技術(shù)組成
　　5　結(jié)論
　　（1）發(fā)動機軸承的磨損失效大多數(shù)情況下與潤滑系統(tǒng)的組成相關(guān)。
　?。?）正確地選用性能良好的品牌潤滑油，添加適當比例且相匹配的添加劑是提高發(fā)動機軸承可靠性的保證。
　?。?）合理地使用、管理和監(jiān)測潤滑油的狀態(tài)，是發(fā)動機主動維修并延長發(fā)動機壽命的有效措施。
　　參考文獻：
　　[1]李柱國．內(nèi)燃機滑動軸承[M]．上海：上海交通大學出版社，2003．
　　[2]中國機械工業(yè)標準匯編．滑動軸承卷[M]．北京：中國標準出版社，2003．
來源：《中國汽車工程學會燃料與潤滑油分會第11屆年會論文集》2004年