某型号天然气发动机摇臂轴孔异常磨损失效分析

时保帆　王炳成　赵立普　程祥军

摘 要：针对某型号天然气发动机试验过程中摇臂的摇臂轴孔与摇臂轴异常磨损失效，从多个角度进行排查分析。最终确定故障原因为冷态气门间隙过小，导致热态时，高的热负荷下气门相对气缸盖膨胀量超过冷态气门间隙，使摇臂轴孔下部与摇臂轴一直处于接触狀态，润滑油润滑不良，引起摇臂轴孔异常磨损。通过调整气门间隙措施并进行试验验证，问题得以解决。

关键词：天然气发动机；摇臂；磨损；热膨胀量

1 引言

摇臂与摇臂轴是发动机配气机构中的重要零部件，摇臂的摇臂轴孔与摇臂轴的异常磨损会导致配机构功能失效，最终影响发动机整体性能。相对于传统燃料发动机，天然气发动机具有热负荷高的特点，配气机构各部件更容易出现热负荷导致的异常磨损等故障。

2 故障现象

某型号天然气发动机完成试验后，拆检发现排气摇臂轴孔磨损严重，进气摇臂轴孔未见异常。如图1、图2所示为排气摇臂轴孔磨损情况。

各缸进排气摇臂轴孔磨损量测量结果见表1所示，从测量结果看，排气摇臂轴孔磨损量明显大于进气摇臂轴孔。

3 故障原因初步分析

根据拆检情况，所有排气摇臂轴孔均出现明显异常磨损，而进气摇臂轴孔磨损未见异常。润滑不良可能为导致异常磨损的直接原因，而导致润滑不良的原因会有多种可能性，比如加工质量不合格或油孔堵塞不顺畅，从而供油不良。考虑到天然气发动机热负荷较高，零部件热膨胀量大也可能导致配合间隙过小而使润滑不足。同时，若零部件材料不合格或者热处理工艺不合格也可能导致接触面硬度不足而导致异常磨损。

3 故障分析

3.1 故障模式判定

从拆检情况看，各缸排气摇臂轴孔均出现了较为明显的异常磨损，而进气摇臂轴孔未见异常，具体情况见图1、图2。

3.2 建立故障树

从各个角度考虑，建立零部件失效分析故障树，如图3所示。

3.3 故障排查

3.3.1 润滑不良

对摇臂轴进行解剖，检查油孔是否顺畅。同时，测量摇臂轴和油孔关键部位尺寸，以排查是否零部件加工质量不合格导致油路不顺畅，供油不足从而导致异常磨损。

摇臂轴沿轴向方向解剖图见图4所示，从图中结果看，排气侧摇臂油道通畅，油道内清洁无异物附着等，不存在加工质量问题和油孔堵塞问题；摇臂轴和摇臂轴孔尺寸测量结果见表2、表3所示，各关键尺寸均符合图纸要求。

根据解剖结果和尺寸测量结果可排除零部件油孔不畅通和加工质量不合格导致异常磨损的情况。

3.3.2 材料分析

对磨损表面使用电子显微镜进行放大观察，以进行磨损表面形貌分析，磨损形貌图见图5。

经材料分析结果分析，摇臂轴孔与摇臂轴的磨损形式为磨粒磨损。摇臂和摇臂轴的硬度结果满足图纸要求。摇臂轴的白亮层厚度略超技术要求，见图6，经分析不是此次失效的主要原因。

经过分析，可排除材料不合格导致异常磨损的情况。

3.3.3 温度场计算分析

对气缸盖和气门座圈热变形进行有限元计算，结果见图7、图8和表4所示。

对排气门的热变形进行有限元计算，结果见图9和表5所示。

通过有限元计算分析，气缸盖和排气门的热变形量较大，综合变形量在0.7mm左右。冷态气门间隙为0.6mm，在热态时，不足以弥补此热变形量。

3.3.4 热态气门间隙分析

如果气门间隙过小，在发动机工作过程中，由于热膨胀使摇臂轴与摇臂轴孔间隙过小，会导致润滑油供油不畅而发生异常磨损。因此现从热态时气门间隙方面进行排查。

根据以下原理进行气门工作间隙测量：凸轮轴凸轮进入工作段前，首先要消除气门间隙，气门间隙越大，凸轮实际工作角越小。通过推杆应变信号波形测量出凸轮实际工作角，从而得到气门的工作间隙，试验结果见图10所示。

从图中可知，当冷态排气门气门间隙为0.56mm时，热态状态下排气门气门间隙为0mm。采用相同的方法，将冷态排气门气门间隙增大为0.8mm时，得到热态状态下排气门气门间隙为0.15mm左右。也就是说，排气门相对缸盖的热态膨胀量为0.65mm左右。

由此可知，冷态排气门气门间隙小，热态时，排气门相对缸盖的热态膨胀量大于冷态排气门气门间隙。这种状态下，排气摇臂轴孔下部与摇臂轴一直处于接触状态，导致润滑油供油不足，润滑不良，是产生摇臂轴孔异常磨损的根本原因。

为了验证以上分析，将排气门气门间隙调整为0.8mm，进行试验验证。试验后，拆检各缸排气摇臂进行检查，摇臂轴孔均未出现异常磨损情况，拆检照片见图11所示。

根据拆检情况，验证了通过调整气门间隙可以解决该问题。

4 结语

本文通过分析，得出以下结论：

（1）冷态情况下排气门气门间隙过小，会导致天然气发动机摇臂轴孔异常磨损。

（2）天然气发动机热负荷高，冷态情况下排气门气门间隙过小，在热态情况时，排气门相对缸盖的热态膨胀量超过冷态气门间隙，使排气摇臂轴孔下部与摇臂轴一直处于接触状态，摇臂轴孔润滑不足，导致异常磨损。

（3）通过调整冷态下排气门气门间隙，可以解决因热负荷引起的摇臂轴孔异常磨损问题。

参考文献：

[1]张俊红.汽车发动机构造.天津：天津大学出版社，2008.193～197

[2]周龙保.内燃机学.北京：机械工业出版社，2004.173～178.