发动机连杆上轴瓦磨损形态在曲轴上的分布分析

　　摘 要：以某型发动机连杆上轴瓦磨损和轴瓦磨损在曲轴上的分布为研究对象，从轴瓦磨损的角度分析发动机的运行状况，根据轴瓦磨损原因和在曲轴上分布的形态，推断发动机运行中存在的问题。研究结果显示，磨损形式和程度在曲轴上呈对称分布，证明发动机轴瓦的单个磨损程度严重和偏磨是由于设计问题造成的。

　　关键词：发动机 轴瓦 磨损 磨损分布

　　引言：发动机轴瓦是发动机的主要旋转副，国内外学者都对其进行了详细研究。崔志国统计了发动机修理轴瓦的磨损， 发现轴瓦磨损常见现象包括曲轴轴瓦烧熔、合金层剥落掉块、擦伤等。产生磨损的原因诸多，其中因混入杂质损坏的占 41.5%，因装配精度不够损坏的占 24%[1]。在结构设计合理、材料选择正确的情况下，轴瓦的损坏大多是由于装配和使用不当引起的 [2-3]。大多研究人员只分析了轴瓦磨损的形式、概率及原因，并没有对磨损轴瓦形式在曲轴上的分布形式进行阐述。原因分析可以详细描述轴瓦磨损的机理，但不能宏观体现发动机运行状体。磨损分布形式是以发动机全部轴瓦的磨损形式直接体现曲轴 - 连杆的运行形式，更能直接体现轴瓦在发动机中的磨损形式和运行状态。现以山东某发动机厂 12V 发动机为研究对象，对其轴瓦磨损形式及在曲轴上分布的形式进行研究。

1连杆轴瓦安装状态

山东某船用柴油机曲轴材料，曲轴硬为 HV315，表面粗糙度 Ra 为 1.0μm，轴径尺寸为 φ28mm。柴油机轴瓦的材料以 45 钢为基体，在其内弧的表面浇注高锡铝合金轴瓦材料， 尺寸 φ30mm×10mm， 轴瓦内弧面硬度为 HV24.3， 表面粗糙度 Ra 为 0.122μm。发动机采用 CW-140 润滑油油槽润滑。轴瓦安装到轴瓦座内时，在瓦对口面具有自由弹势，其在自由状态下并非真正的圆形。它的过盈量设计和测量需要满足 GB/T 7308-2008《滑动轴承有法兰或无法兰薄壁轴瓦公差、结构要素和检验方法》规定轴瓦的适当过盈 [2]。过盈不足，轴瓦与轴承座不能作为整体一起承载，在发动机运行时只能分别承载。在动负荷作用下， 轴瓦将在轴承座内产生振动和弯曲应力，会造成合金层剥落、钢背变形甚至整个轴承座断裂。此外，过盈不足， 还会影响摩擦热通过钢背传给轴承座的效果 [3]。所以， 合理的过盈量是轴瓦正常工作的前提，也是轴瓦与曲轴贴合度的关键。

2连杆上轴瓦的受力分析

在不同的转速下，轴瓦的受力状况不相同。随着转速的增加，受力区域随之增加。运行中，动压效应、变密度效应和挤压效应三种效应共同作用在轴瓦，其受力最大部位应位于中间部位 [4]。轴瓦油膜在上止点为其压力最大时刻，如图 1 所示。

实际中，由于提前角、燃烧状态等因数，轴瓦受力最大的位置是中间偏右的位置，即最大受力点位于上止点后。

3连杆上轴瓦磨损分析

12V 发动机轴瓦为 V 形分布的 12V 发动机的连杆轴瓦，

1 ～ 6 缸位于左侧，7 ～ 12 缸位于发动机右侧。2 缸、3 缸、

8 缸和 11 缸轴瓦磨损痕迹比较严重，但磨损区域均匀；4 缸、

6 缸和 10 缸磨痕明显，磨损区域为一侧；其他各缸磨痕不明显。磨痕的位置不是位于中心位置，而是偏向一侧，中心位置为偏向 20°位置。可以得知， 轴衬的受力最大位置的角度是上止点后 20°。

轴瓦与轴瓦座产生压痕，12 缸连杆轴瓦与轴瓦座采用过盈配合的结合面接触匀称，受力均匀；2 缸和 4 缸的接触面压痕过多集中于边缘两侧，可以推测出受力偏于边缘两侧；8 缸连杆接触面压痕位于两者中间。

设 计 与 研 究

  为了研究磨损及磨损的特征，根据轴瓦表面合金层磨损面积的大小，定义磨损程度级别。分析并统计十二缸的连杆上轴瓦的磨损程度，如表 1 所示。刘代宏认为，活塞轴销和连杆轴瓦中心不对中是造成轴瓦偏磨的直接原因， 从而造成横向振动。横向振动加剧了活塞和缸套之间的摩擦碰撞[5]，从而造成发动机运行恶化，轴瓦磨损严重的结果。所以，对轴瓦存在偏磨迹象的情况是直接体现发动机振动的状况。为了体现偏磨的重要性，在磨损定级时，在原级上提升一级，以体现偏磨状态。

  磨粒数量表明，发动机轴瓦磨损已经达到一定程度，但大部分轴瓦磨损量不严重。由大小颗粒的相对数量可以判断其中的轴瓦在运行中存在大载荷的摩擦，产生这种现象的原因是发动机在运行中连杆与曲轴的同轴度偏差过大，造成发动机横向振动，进而造成轴瓦偏磨，而研究连杆与曲轴的运行状态只能从轴瓦磨损形式在曲轴的分布展开分析。

曲轴轴瓦磨损形式分布

根据磨痕分布，磨损严重轴瓦所在的连杆位于同一曲轴曲拐上，而磨损的轴瓦所在的连杆在曲轴上也是对称的。从磨损形式分布图可以判断，发动机第二拐和第五拐是振动的根源。由于磨损形式前后对称、左右

轴瓦磨损在机身位置图

对称，其分布形式可以判断发动机装配存在的问题。

5结语

（1）在研究发动机轴瓦磨损时，除了研究单个轴瓦磨损，也应从其整体磨损及其分布进行考虑，从而判断发动机的运行状体。

（2）判断发动机轴瓦磨损的状况，在观察磨痕程度的同时，也应从润滑油中大小颗粒的比值分析，其值直接体现了轴瓦在运行中承受载荷的状况。比值高，意味着轴瓦承载大，工作环境恶劣。

（3）在观察轴瓦磨损时，偏磨是一个重要的因素，从轴瓦座与轴瓦的压痕也能判断轴瓦的受力状态。

参考文献

[1]崔志国，姚春艳 . 发动机轴瓦损坏原因分析 [J]. 农机使用与维修，2013，（3）：54-54.

[2]索长生，刘晓华 . 柴油机曲轴 - 轴瓦磨合磨损性能研究 [J]. 内燃机，2009，（4）：24-26.

[3]杨连生 . 内燃机设计 [M]. 北京：中国农业机械出版社，1980.

[4]张俊红，何振鹏，张桂昌，等 . 基于动力学和摩擦学耦合的柴油机轴系润滑特性分析 [J]. 天津大学学报，2011，44（9）： 791.

[5]刘代宏 . 大型柴油机横向异常振动诊断的理论与实践 [D]. 长沙：长沙理工大学，2005.