自走式智能花叶类工业大麻收获机用柴油机抱瓦分析

李厚贵， 曹海峰

（黑龙江省农业机械工程科学研究院绥化分院，黑龙江 绥化 152054）

0 引言

自走式智能花叶类工业大麻收获机一次作业可完成麻茎切割、柔性输送、花叶穗梳脱和分类收集等工序。完成这些工序和行走都需要收获机用柴油机（以下简称麻用柴油机）提供动力来源，麻用柴油机负荷大、工作条件差，如果使用操作不当或维护保养不到位，常常出现抱瓦故障。抱瓦主要是指由于柴油机曲轴轴瓦与轴颈间润滑不良，使轴瓦与轴颈形成干摩擦或部分干摩擦，摩擦产生的高温使轴瓦合金层变软甚至熔解，并黏结在轴颈上的故障[1]。抱瓦不但损伤麻用柴油机曲轴轴瓦，还会使曲轴、连杆和机体等主要零部件变形和损坏，甚至会引起连杆大头脱出将缸体打破的严重事故，使柴油机失去工作能力，最终导致整个自走式智能花叶类工业大麻收获机无法作业[2]。因此分析抱瓦产生的原因，找出预防和减少抱瓦的有效措施，具有十分重要的意义。要分析抱瓦的具体原因，首先要了解曲轴轴瓦的工作条件和受力情况。

1 曲轴轴瓦和轴颈受力分析

麻用柴油机曲轴轴瓦和轴颈处在曲柄连杆机构中，而曲柄连杆机构在高温、高压、高速和化学腐蚀等条件下工作，受力情况也十分复杂，如图1 所示，作用在曲柄连杆机构上的力主要有活塞顶部的气体压力、往复惯性力、离心力和摩擦力等[3]。

图1 曲柄连杆机构受力分析Fig.1 Force analysis on crank connecting rod mechanism

1.1 气体压力Fp

麻用柴油机工作循环的每个行程，活塞顶部的气体压力都在不断变化。如图1a 所示，活塞受到的气体压力Fp在活塞销处分解为两个分力Fp1和Fp2，Fp1沿连杆方向作用在连杆轴颈上，使曲轴轴颈与轴瓦产生压紧力[4]。

1.2 往复惯性力Fj

曲柄连杆机构中的活塞组和连杆小端在气缸中做往复直线运动，当活塞从上止点向下止点移动时，其前半行程是加速运动，惯性力Fj上升，而其后半行程是减速运动，惯性力Fj下降，如图1b 所示[5]。惯性力在曲柄连杆机构部件上引起周期性的交变载荷，加剧了曲轴轴瓦和轴颈的磨损[6]。

1.3 离心力Fr

如图1b 所示，曲柄连杆机构中的连杆轴颈和连杆大头等以曲轴为中心旋转时，将产生离心力Fr。Fr的分力Fry与往复惯性力Fj同向，加强了麻用柴油机的上下振动，分力Frx产生水平振动，Fr还会使轴瓦和轴颈受到附加负荷，增加其变形和磨损。

1.4 摩擦力

曲柄连杆机构中的活塞、活塞环与气缸套间及曲轴轴瓦与轴颈间均会产生摩擦力，摩擦力是导致零件配合表面磨损的根本原因。在曲柄连杆机构中的曲轴轴瓦与轴颈，会受到上述力的交变作用，如不能保证两者间的良好配合和润滑，很容易产生剧烈的磨损而导致抱瓦故障。麻用柴油机润滑系统对保证曲轴轴瓦的正常工作至关重要。

2 润滑系统工作原理

柴油机工作时，相对运动的零件表面存在着干摩擦或混合摩擦，使零件表面迅速磨损，甚至烧损。为了保证柴油机正常工作，需要在摩擦表面提供一层薄而匀的润滑油膜而实现液体润滑。将润滑油送到运动零件表面而实现液体润滑的系统称为柴油机润滑系统。曲轴轴瓦和轴颈间采用的是压力润滑。如图2 所示，柴油机运转时，机油泵将油底壳内的机油经机油集滤器滤掉机油内大的杂质后，通过机油冷却器，大部分经机油粗滤器过滤出较大的杂质后流入主油道；然后经过机体上并联的各支油道进入相应的曲轴主轴瓦和凸轮轴轴瓦进行润滑，再通过曲轴上的倾斜油道进入各连杆轴瓦予以润滑。

图2 柴油机润滑油路Fig.2 Diesel engine lubrication oil circuit

3 抱瓦现象和诊断

3.1 抱瓦现象

麻用柴油机抱瓦一般有以下现象：在负荷没变的情况下，转速骤然降低，排气管有时排黑烟，机油压力突然大幅度下降并有时伴有异响；有时还会自行熄火，摇转曲轴时感觉沉重，甚至转不动[7]。

3.2 抱瓦诊断

麻用柴油机同时出现以下4 种情况，基本上可以断定为抱瓦。①机油温度迅速升至90 °C 以上；②机油压力骤然降低；③检查机油粗滤器滤芯外表面和油底壳时，发现有轴瓦合金粉末；④加机油口或曲轴箱通风口有白烟，机体外部曲轴对应部位附近温度明显高于别的部位[8]。抱瓦部位诊断流程如图3 所示。

图3 抱瓦部位诊断流程Fig.3 Diagnosis process for tile holding area

4 抱瓦原因

4.1 润滑油影响

4.1.1 机油压力

麻用柴油机机油压力过低，轴瓦和轴颈间很难形成良好的油膜，容易引起抱瓦；机油压力过高，会使机油温度增高，机油变稀，轴瓦与轴颈间难以保持正常的油膜，也易发生抱瓦[9]。

4.1.2 机油温度

由图4 可知，轴颈与轴瓦间油膜厚度随着机油温度的升高而减少。当机油温度>140 °C 时，油膜发生断裂，导致轴瓦与轴颈间直接接触，轴瓦温度急剧升高，继续发展容易产生烧损而抱瓦；而当机油温度过低时，油膜形成困难，也易引起抱瓦。

图4 连杆瓦最小油膜厚度和机油温度关系曲线Fig.4 Relationship curve between minimum oil film thickness of connecting rod bearing and oil temperature

4.1.3 机油变质

麻用柴油机工作中，因气缸套、活塞环等的磨损，窜入曲轴箱内的废气越来越多，导致机油油温上升和混入燃烧生成物，加速了机油的氧化、变质[10]。轴瓦装配时工作环境不清洁或盛机油的容器和加油装置不干净混入杂质，麻用柴油机工作产生金属磨屑，空气滤芯损坏混入外部灰尘，麻用柴油机本身配件和机油中的杂质，以及水或柴油漏入润滑系等，都会加快机油变质的速度；这些异物黏在轴瓦与轴颈间，加重摩擦且产生拉痕，破坏了油膜而使轴瓦合金层烧蚀，瓦背与座孔间的异物还会引起两者贴合不良，引起轴瓦局部高温和高压，加重其磨损；杂质还会堵塞油道。以上这些问题都容易造成抱瓦。

4.1.4 机油缺失

麻用柴油机机油添加不足、机油管路堵塞、机油管路漏机油和烧机油等原因引起的机油供给量减少或机油消耗量大，机油泵或其传动机构损坏，以及机油泵前管路密封不严等，都会使机油缺失而容易导致抱瓦[11]。

4.1.5 未按期更换机油或机油质量差

麻用柴油机一般要求每工作300 h 更换1 次机油，如超期不更换机油，会导致机油变质严重或机油量过低，导致机油运动黏度变差，易引起抱瓦。通过表1结果（机油运动黏度标准11.5～16.1 mm2/s）证明了这个问题。

表1 几台发生抱瓦的麻用柴油机机油运动黏度实际情况Tab.1 Actual situation of oil kinematic viscosity for several hemp diesel engines with brake pad

使用劣质机油或假冒机油，机油的质量等级不符合厂家的要求等，也易导致抱瓦。

4.1.6 冷启动时未进行机油提前润滑

麻用柴油机熄火后尤其是长时间停机后，机油大部分都流回油底壳，不提前进行润滑而直接启动，会使轴瓦处于干摩擦或混合摩擦的直接摩擦状态，这是导致抱瓦的主要原因。据统计，麻用柴油机的磨损60%以上来自冷启动阶段，这里所说的磨损主要是指采用压力润滑的曲轴轴瓦和轴颈等。现在多数麻用柴油机机型都未配置机油提前润滑装置，有些驾驶员启动前只能用启动机带几圈再着火，但这样取得的效果有限。

4.2 维修、装配方面

4.2.1 曲轴轴瓦与轴颈装配间隙过小或过大

曲轴轴瓦与轴颈的装配间隙如果过小，机油很难进入，产生的热量无法通过机油传递出去，如麻用柴油机又在重载或过载状态下工作，就很容易引起抱瓦；若间隙过大，机油流到轴瓦后就迅速泄漏且产生撞击，也易引起抱瓦。

4.2.2 曲轴弯曲度超限或主轴承座孔同轴度超差

曲轴弯曲度超限时，会导致轴瓦径向间隙、轴向间隙和各道轴瓦间隙不一致，影响机油油膜的形成，机油从间隙大的地方流失；间隙小的地方，机油油膜厚度薄而摩擦过大，轴瓦合金被挤压黏结，故曲轴弯曲较大时易导致抱瓦。同理，机体主轴承座孔同轴度超差也会导致轴瓦配合间隙不一致，产生同样的不良后果而易引起抱瓦。

4.2.3 曲轴轴向间隙过大或过小

曲轴轴向间隙过大或过小都会对轴瓦产生不良的影响。轴向间隙过小会使曲轴受热后膨胀容易犯卡而产生加大的反向摩擦力，曲轴轴向间隙过大会使轴瓦受到因轴向窜动而产生的轴向摩擦力，这些都会导致轴瓦与轴颈间油膜遭到破坏，容易引起抱瓦[12]。

4.2.4 装配力矩不当

麻用柴油机曲轴轴瓦轴承盖装配力矩过大或过小，会造成轴承盖螺丝的损伤或松动，容易导致抱瓦。

4.2.5 轴瓦装配预紧高度不当或轴瓦座孔磨损

曲轴轴瓦装配时，上下轴瓦两端应超出轴瓦座盖端面适当的预紧高度，如果轴瓦的预紧高度值过大，会引起轴瓦变形，容易引起抱瓦；如果轴瓦的预紧高度值过小，会使轴瓦与座盖贴不紧，轴瓦散热不好，同时使轴瓦在座孔内易发生转动，产生磨损甚至堵塞油道，也极易造成抱瓦。

主轴承座内孔或连杆大头孔磨损，也会使轴瓦钢背与轴瓦座盖贴合不紧，轴瓦散热不好，甚至发生转动，同样易导致抱瓦。

4.2.6 轴瓦选配方面

如果麻用柴油机曲轴轴瓦材料、规格等选择不当，即便其他方面都正常，也易导致抱瓦。

4.3 使用操作方面

4.3.1 长期超载

长时间超载作业，使麻用柴油机高温而转速下降，轴瓦负荷加大，供给的机油变少且黏度下降，极易造成抱瓦[13]。另外，磨合期内超过规定负荷运行也容易导致抱瓦。

4.3.2 驾驶操作不当

麻用柴油机水温低时，不耐心暖机而直接带负荷运行，由于此时机油黏度大无法提供正常的润滑，使磨损加剧而容易引起抱瓦。

起步前或停机前猛轰油门，曲轴转速骤升，轴瓦与轴颈间瞬间摩擦加剧而产生高温，会使它们受热膨胀和机油温度骤升，导致它们之间发生混合摩擦，甚至干摩擦，最后容易引起抱瓦[14]。

有些驾驶员在操作中不经常观察机油压力表，因而不能及时发现润滑系统存在问题而提前处理，或者即使发现机油压力低也不及时停机处理，导致故障扩大而抱瓦。

4.4 曲轴技术状态和加工质量影响

4.4.1 曲轴轴颈圆度和圆柱度超限

麻用柴油机曲轴轴颈圆度超限后，轴瓦与轴颈的配合间隙长轴最小、短轴最大。选配轴瓦时若按长轴选配而使短轴间隙过大，若按短轴选配而使长轴间隙过小，由于配合间隙不均，机油由间隙大的方向泄掉，间隙小的方向又摩擦加剧且机油不足，容易产生抱瓦。

圆柱度超限也会导致轴瓦的配合间隙不一致，产生同样的不良后果而容易抱瓦。

4.4.2 曲轴轴颈精度和表面粗糙度等超标

麻用柴油机曲轴表面粗糙度和精度是实现正常润滑的前提，若曲轴加工的精度和过渡圆角等不达标，将导致曲轴轴瓦与轴颈配合间隙出现异常，容易引起抱瓦。曲轴轴颈加工的表面粗糙度超标，轴颈上存在的金属棱角会使轴瓦与轴颈间的机油油膜时断时续，棱角与轴瓦干摩擦而易造成抱瓦[15]。

连杆轴颈内部油道两端工艺堵松脱、损坏，会导致机油严重泄漏而抱瓦。

4.5 维护保养方面影响

4.5.1 更换曲轴或曲轴轴瓦后未按要求磨合和保养

新更换的轴瓦或曲轴表面并不特别平滑，不能形成良好的润滑油膜，如果不磨合即带负荷运转，轴瓦与轴颈间很容易产生剧烈摩擦而抱瓦[16]。

更换曲轴或轴瓦后虽然按要求进行磨合了，但磨合期过后未及时更换机油和机油滤芯，由于磨合后的机油和滤芯中存在金属磨屑，很容易引起抱瓦。

4.5.2 外部问题

因油底壳放油螺塞松脱或机油外部管路损坏等原因而引起机油严重泄漏，未及时被发现而导致机油大量流失而抱瓦。

4.5.3 麻用柴油机运转时振动大

由于麻用柴油机曲轴扭转减振器损坏等原因，使曲轴运转时振动大，长时间运转可能导致轴瓦松动，容易产生抱瓦。

5 抱瓦处理和预防

麻用柴油机发生抱瓦后，准确地分析出抱瓦的原因，进而正确地进行处理很关键。

5.1 抱瓦后处理

抱瓦后处理要点如图5 所示。

图5 抱瓦后处理要点Fig.5 Key points for handling after holding tiles

5.2 润滑油方面预防措施

5.2.1 加装机油提前润滑装置

如图6 用红色矩形框圈（左下粗线框）部分，是在麻用柴油机润滑系统中加装的一套机油提前润滑装置的机械部分，机油提前润滑装置主要零件是提前润滑电动泵；机油提前润滑装置控制电路如图7 所示，柴油机启动前控制电路通过动合式、动断式机油压力开关控制启动电路和提前润滑电动泵电路的通断，保证柴油机冷启动时的充分润滑[17]。

图6 机油提前润滑装置结构Fig.6 Structure of oil early lubrication device

图7 机油提前润滑装置控制电路Fig.7 Control circuit of oil early lubrication device

加装机油提前润滑装置的关键：在启动继电器线圈的控制电路上增设了闭合值49 kPa 的动合式机油压力开关，这样只有实施了提前润滑操作且润滑压力达到49 kPa 时，动合式机油压力开关才能在此压力作用下闭合而接通启动电路，达到了强制司机冷启动前必须进行提前润滑操作的目的，从根本上解决了原来冷启动时润滑不良的问题，最大程度地预防和避免抱瓦故障的发生。

5.2.2 机油压力

若发现麻用柴油机油压力异常，应立刻停机处理，首先用直感式机油压力表确认原车的机油压力表或机油压力报警灯显示是否准确，如确认机油压力确实存在问题，应查明原因并排除故障后方可继续作业。

5.2.3 机油温度

发现麻用柴油机机油温度过高，要及时处理，不能带病作业；机油温度和水温低时，应该耐心暖机，待机油和冷却水温度达到正常值后，再带负荷作业，暖机过程中禁止猛轰油门。

5.2.4 预防机油变质

经常用压缩空气吹净空气滤芯上的灰尘，必要时予以更换。麻用柴油机下排气大时，应及时维修处理。经常检查油底壳内的机油，如发现混入水或柴油，应及时查明原因并排除故障，然后更换机油。

如果通过手捻发现机油内有杂质或机油有酸臭味或在试纸上滴机油发现其核心区发暗发黑或机油倒出时呈不均匀连续状态，说明机油已变质，应及时更换。要注意避免机油保存和加注过程中的二次污染。

5.2.5 预防机油缺失

应经常检查油底壳内的机油量，使其始终在允许范围内。如麻用柴油机烧机油较严重或漏机油应及时处理，避免因缺失机油而抱瓦。

5.2.6 机油更换

选用符合柴油机制造厂质量、等级要求的润滑油，并按要求的周期更换机油和机油滤芯。还应按要求进行换季保养，不同季节使用不同牌号的机油，使黏度适合季节的要求。

5.3 维修、装配方面预防措施

5.3.1 检测曲轴

麻用柴油机装配前，首先要对更换或磨削的曲轴进行检测，轴颈的尺寸、圆度、圆柱度和过渡圆角，以及整个曲轴的中心弯曲度都应符合技术要求，曲轴的表面粗糙度也要达标。

5.3.2 曲轴磨削或更换后轴瓦选配和安装

曲轴磨削或更换后，装配轴瓦时应涂少量洁净的新机油，按原配瓦盖装复；另外应选用同级别的轴瓦，轴瓦装入轴瓦座盖后，上下轴瓦两端应超出轴瓦座盖端0.03～0.05 mm[18]。

更换新轴瓦时，应选用符合原厂质量和材料要求的配件，以免因产品结构上的差别而导致抱瓦。

5.3.3 总装

曲轴和轴瓦组装时，要保证两者配合间隙达到技术标准，主轴瓦0.08～0.16 mm、连杆瓦0.06～0.13 mm。曲轴的轴向也应有0.08～0.30 mm 的间隙。

按规定扭矩扭紧主轴和连杆轴承盖螺丝，杜绝轴承盖与座错装现象，轴瓦接触结合面积应达到整个面积的85%以上，并且曲轴转动不卡滞。

5.4 使用操作方面预防措施

5.4.1 避免长期超负荷

严禁麻用柴油机超负荷长时间运转，禁止起步前、停机前或空挡时猛轰油门。

5.4.2 合理驾驶操作

麻用柴油机熄火后再启动前，需要提前进行润滑。启动后应先怠速运转3～5 min，再逐步增加负荷运转[19]。

麻用柴油机工作时必须经常观察机油压力，一经发现压力异常，必须立即熄火并排查故障，待压力恢复正常后才能运转[20]。麻用柴油机正常工作时机油压力应保持0.3～0.5 MPa，怠速时须≥0.1 MPa。

5.5 维护保养方面预防措施

（1）麻用柴油机大修后或更换曲轴轴瓦后，必须按技术要求进行磨合。磨合时，应经常观察机油温度及压力，磨合期后及时更换机油和机油滤芯，并清洗油底壳后再运转[21]。

（2）经常查看麻用柴油机冷却系统的性能，及时补充冷却液，保持冷却系统始终正常[22]。

（3）更换机油滤芯或清洗油底壳时，如发现有剥落的轴瓦合金粉沫，必须查明确切原因并排除故障后方可继续作业。

（4）安装机油过滤器时，所有密封垫必须装好压紧。

（5）麻用柴油机运转中，如发现因曲轴扭转减振器损坏等原因导致的振动大，应及时停机处理，待故障排除后再运转。

（6）如发现润滑系统内外部管路损坏或漏油，应及时处理；油底壳放油螺塞漏油或螺丝损伤，应立即紧固或更换，每次从油底壳放油结束时一定要注意把放油螺塞拧正拧紧。

6 结束语

麻用柴油机曲轴轴瓦在交变负荷下工作，工作条件恶劣，容易发生抱瓦故障并引发事故。但只要正确地操作和使用，合理地进行维护和保养，发现问题及时按技术标准进行维修，始终保证良好的液体润滑，抱瓦故障是可以避免的。即使发生抱瓦故障，只要能早期发现并及时停机处理，也可以把损失降到最低限度。