电动钻机用柴油机连杆大头轴瓦的设计分析与现场应用研究

李明晓，于静，潘新霞，赵欣，程姗姗，王雪艳

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东 济南 250300）

某型柴油机主要用于配套发电机组，满足电动钻机动力需求，柴油机在详细设计时，对选用的某连杆大头轴瓦进行了计算分析，分析内容主要包括油膜情况以及摩擦损失等方面。在完成现场累计8000h运行后，对柴油机进行返厂拆解，并对拆检主要摩擦副进行检测。连杆大头摩擦副为其中主要分析对象，除尺寸测量外，采用SED-EDS进行扫描检测，对连杆大头轴瓦微观形貌进行捕捉和分析。

1 连杆大头轴瓦设计分析

通过前期选型和计算比对，选定连杆大头轴瓦材料化学成分如表1所示。

表1 轴瓦材料化学成分

1.1 模型搭建

图1 所示为利用AVL EXCITE搭建的分析模型。计算工况为1800rpm转速下，0、50%、110%负载工况，以及115%超速（2070rpm）情况下的轴瓦性能表现及油膜分布情况。

图1 连杆大头瓦分析模型

1.2 输入参数

（1）基本参数。活塞及活塞销总重14.205kg，连杆装配总重17.9kg，部分基本参数见表2。

表2 基本输入参数表

（2）载荷与约束条件。

气动载荷：爆发压力PFP=22MPa；

活塞总成惯性力：

连杆加速度：

图2 所示为计算所需缸压曲线。

图2 柴油机缸压曲线

1.3 结果分析

（1）轴瓦压力分析。图3所示为轴瓦所受总压变化曲线。从图中可以看出，在一个工作循环中，所有计算工况下，1800rpm，110%负荷轴瓦所受总压峰值最大，为175.729MPa，其他工况时，轴瓦所受总压均在70MPa以内，远小于设计推荐值180MPa，表明该轴瓦所受总压在计算工况下，均在推荐值范围内，可以满足长期运行设计要求。

图3 轴瓦压力曲线

（2）接触压力分析。图4所示为接触压力曲线，峰值为40.1827MPa，小于设计推荐值60MPa，表明该轴瓦所受接触压力在推荐值范围内，可以满足长期运行设计要求。

图4 轴瓦接触压力峰值

（3）最小油膜厚度分析。图5所示为各工况下油膜厚度变化曲线，图中所示最小油膜厚度出现在1800rpm，110%负荷工况下，此时，油膜厚度为1.00265μm，而在油膜厚度大于1μm的情况下，轴瓦的磨损通常可以忽略，因此可认为满足长期运行的设计要求。

图5 最小油膜厚度

（4）小结。通过对连杆大头轴瓦进行计算分析可知，该设计在总压峰值、接触应力以及最小油膜厚度方面，均满足设计推荐值的要求，可以投入使用。

2 轴瓦拆检情况分析

该型柴油机应用场景为井场电动钻机配套发电动力，运行工况多变，且在钻机起下钻工况时为重负荷状态，峰值情况下，柴油机功率短时可达到甚至超过110%负荷，这种恶劣工况条件对关键摩擦副的性能和可靠性影响严重。现场运行时长累计8000h后，对柴油机关键摩擦副进行返厂拆检。连杆大头轴瓦作为柴油机重要摩擦副之一，需对其在历经8000h运行后的状态进行检测和评估，验证初始设计的合理性，对存在的问题进行分析并提出进一步改进措施，指导产品的完善和定型。连杆大头轴瓦检测内容主要包括外观尺寸检测以及SEM-EDS扫描检测两个方面。

2.1 外观尺寸检测结果分析

拆解后的连杆大头轴瓦，多缸上瓦油槽附近出现气蚀痕迹，其他部位外观检查无明显划痕、烧蚀以及磨损，表面光洁，状态良好，涂层表面如新，如图6、图7。

图6 运行面状态

图7 7缸上瓦气蚀痕迹

对连杆大头轴瓦进行厚度测量，测点布置如图8所示，上下轴瓦分别设置10个测点，飞轮端和自由端各5个。

图8 测点布置图

2.2 SEM-EDS扫面检测分析

采用SEM（扫描式电子显微镜）和EDS（X光微区分析）对连杆大头轴瓦部分截面和表面特征进行检测。对外观无明显气蚀的轴瓦主要承力区进行扫描，扫描结果见图9。图示轴瓦合金无气孔、裂纹以及其他偏析情况，Pb分布均匀，表明承力区目前处于较为良好的状态。图10所示为涂层部分放大扫描图，扫描结果可见光滑的涂层部分。

图9 承力区扫描结果

图10 涂层部分放大扫描结果

对外观检查中气蚀最严重的7缸上轴瓦油槽附近位置进行局部扫描，如图11所示。

图11 气蚀扫描位置示意图

图12 所示为气蚀位置扫描结果。图中所示合金层和涂层由于气蚀的产生都有不同程度的损伤，在气蚀影响最严重的部位，整个涂层被贯穿，最大损伤深度达到476μm，轴瓦有磨损，7缸上瓦磨损量最大为3μm。

图12 气蚀位置扫描结果

3 轴瓦性能评估

（1）从外观检测结果分析，轴瓦表面无异常磨损，无划痕，表明在运行过程中，油膜以及油压的建立效果较好，连杆大头轴瓦整体运行状态良好；部分轴瓦上瓦出现气蚀，但就外观而言，气蚀较为轻微。

（2）从扫描结果分析，上轴瓦油槽附近有气蚀情况出现，气蚀深度最大476μm，涂层和合金均有不同程度破坏，而气蚀影响最小的部位尚未破坏涂层。整体而言，气蚀影响区域较小，影响深度较小，8000h运行后最大磨损量3μm的整体水平基本可以满足柴油机35000h大修寿命的要求。

4 结语

（1）该型柴油机连杆大头轴瓦的设计满足不同工况下的设计推荐值，在实际运行过程中，8000h无故障，表明该设计满足实际运行工况的需要，轴瓦摩擦副表现良好，运行寿命预期可满足柴油机大修周期要求。

（2）出现气蚀的部位位置均处于上瓦油槽附近，考虑此处由于油槽的存在，导致滑油流动不连续从而出现紊流以及局部压力降低，形成气穴，导致气蚀。后期可对油槽结构进行优化，将锐边进行倒钝处理，或适当提高供油压力，进一步观察气蚀情况是否有所改善。