某型中速柴油机连杆上瓦破裂原因分析及改进措施_张皓钰.pdf

第 44 卷（2022）第 6 期Vol.44（2022）No.6柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2022.06.006某型中速柴油机连杆上瓦破裂原因分析及改进措施张皓钰，和晓锋，刘锦荣（重庆潍柴发动机有限公司，重庆 402260）摘要：针对某型中速柴油机连杆上瓦出现裂纹和不正常磨损等问题展开研究。经分析和仿真计算，连杆体主承载区的油槽和油孔布置不合理是造成该故障的根本原因，连杆瓦厚度偏薄是导致连杆上瓦破裂的重要原因。对油孔、油槽的结构进行改进，采用横向油孔。通过柴油机耐久试验证明改进措施有效解决了该型柴油机连杆上瓦破裂的问题。关键词：柴油机；连杆上瓦；油槽；油孔中图分类号：TK428文献标志码：B文章编号：1001-4357（2022）06-0028-05Cause Analysis of Connecting Rod Upper Bearing Fractureof a Medium Speed Diesel Engine and Improvement MeasuresZHANG Haoyu，HE Xiaofeng，LIU Jinrong（Chongqing Weichai Engine Co.，Ltd.，Chongqing 402260，China）Abstract：Study was carried out on the crack and abnormal wear of the connecting rod upper bearing of amedium speed diesel engine.Through analysis and simulation calculation，it was found that theunreasonable arrangement of oil grooves and oil holes in the main force bearing area of the connecting rodwas the main cause of the fault，and the thin thickness of the connecting rod bearing was an importantreason for the fracture of connecting rod upper bearing.The structure of oil groove and oil hole wasimproved，and horizontal oil hole was adopted.The durability test of diesel engine proves that theimprovement measures effectively solve the problem of fracture of connecting rod upper bearing of thistype of diesel engine.Key words：diesel engine；connecting rod upper bearing；oil groove；oil hole0引言连杆组将活塞所受的力传递给曲轴变成转矩，同时将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动1。连杆组由连杆体（连杆小头、杆身、连杆大头）、连杆盖、连杆螺栓、连杆瓦组成。连杆瓦在工作中受到冲击性的缸内燃烧压力和活塞连杆组惯性力的动负荷作用，而且相对滑动速度高，因此要有很高的机械强度（耐疲劳）和耐热性（热硬度、热强度），有足够的减摩性能。其常见的故障模式有金属层剥落、熔化、黏合、撕裂、偏磨、龟裂2。一般来说，导致连杆瓦破裂的主要原因有两个。一是连杆瓦质量缺陷：连杆瓦通常采用强制润滑，压力润滑油随着轴颈与轴瓦的相对运动形成楔形高压油膜，向轴瓦合金层传递压力和施加剪切力，这些外力随柴油机运转周期性交变，若连杆瓦合金层或钢背有原始裂纹缺陷，短期运行结构与可靠性收稿日期：2021-10-20；修回日期：2021-12-072022 年 11 月29张皓钰等：某型中速柴油机连杆上瓦破裂原因分析及改进措施后就会发生破裂故障。二是弯曲疲劳导致轴瓦合金层裂纹：若合金层与瓦背结合不良形成夹层，先是合金层受周期性变动载荷的剧烈冲击，因压应力和弯曲应力过大以及疲劳产生微裂纹，随后微裂纹逐渐发展为宏观裂纹3。但也并非所有连杆瓦破裂均由以上原因引起，以下对某型中速柴油机连杆瓦破裂进行分析并提出改进措施。1故障描述2018年，某型中速柴油机在维修拆检时发现部分连杆上瓦出现裂纹、压溃，连杆体上油孔和油槽周围有压痕、塌陷，所有连杆上瓦、两件连杆无法继续装机使用，做报废处理，见图1。该批柴油机使用时间为6 000 h左右，未被压溃的连杆上瓦瓦面也出现局部接触磨损的亮带，瓦背有弯曲变形、磨损的痕迹。同样在2018年，从市场返回的该型中速柴油机连杆瓦旧件使用6 200 h左右后连杆上瓦钢背发现裂纹，瓦背油孔和油槽附近有弯曲变形、磨损的痕迹；瓦面磨损不均匀，尤其是油槽和油孔对应的部位因瓦背变形没有磨损，而油槽和油孔外侧磨损相对较重，见图2和图3。2故障原因分析2.1连杆油槽、油孔结构该型中速机的活塞为自由喷射冷却，冷却油由曲轴主轴颈油孔经连杆颈油孔、连杆瓦油孔、连杆大头孔周向油槽、连杆杆身油孔送至连杆小头衬套油槽、连杆小头喷嘴，再由小头喷嘴喷入活塞冷却油腔，如图4所示，图中红色线条为冷却油流动轨迹。为了将曲轴连杆颈油孔的油引入连杆杆身油孔，在连杆下瓦、连杆上瓦的局部及连杆杆身均布置了油孔，在连杆大头孔布置了周向油槽。连杆杆身的油孔、连杆大头孔的周向油槽结构如图5所示。图1故障连杆、连杆瓦图2连杆瓦瓦背故障图图3连杆瓦瓦面故障图图5连杆杆身的油槽、油孔结构图4活塞冷却油流动轨迹第44 卷第6 期30柴 油 机通过查阅产品设计手册，从受力的角度讲，连杆上瓦承受主要的工作载荷，因此连杆上瓦不宜布置油槽和油孔；有试验表明2：当轴瓦承载面积相同时，布置油槽和油孔后轴瓦承载能力仅为不开槽的1/4，轴瓦承载能力大大降低。根据参考文献 2：应根据滑动轴承的油膜压力分布和轴心轨迹，合理布置油孔和油槽位置，使供油通畅。油孔和油槽应开在轴承负荷低的区域，以免影响轴承的承载能力。也就是说，连杆瓦应在下瓦开槽、开孔，如果确须在连杆上瓦开槽，应尽量避开高负荷区域。与连杆瓦贴合的连杆体、连杆盖对轴承座孔起支撑轴瓦的作用，同样应避免在轴承高负荷区对应的区域布置油孔和油槽。当轴承座孔表面具有油槽或较大的孔口时，在轴承负荷的作用下，壁面会因背后失去支承而向下凹陷，在瓦背截面上产生不利的弯曲应力。同时凹陷区边缘的壁面将向上凸起，导致此处合金层出现早期磨损。图6为连杆轴颈轴心轨迹，红色轨迹线为连杆轴颈轴心轨迹；蓝色线条为油膜覆盖范围，其中左侧一列是连杆瓦的油膜范围，右侧一列是连杆轴颈的油膜范围，即图中示意的曲柄销油膜范围。该型柴油机连杆瓦在连杆上止点附近承受最大负荷。图7为连杆瓦油膜压力分布云图，上止点附近也是油膜压力最大的区域，这进一步说明，在该区域无论连杆瓦还是轴承座孔都不应布置油槽和油孔。对上止点附近的连杆应力进行仿真计算，如图8所示。该型连杆上瓦瓦背对应的连杆大头孔布置了油槽和油孔，油槽和油孔位置对应的主承载区 最 大 应 力 达 到 535.11 MPa，该 连 杆 材 料 为42CrMoA，许用应力为600 MPa，但轴瓦钢背材料为10#钢，许用应力仅为250 MPa，实际应力远远超出材料的应力极限，容易造成轴瓦变形、破裂。这进一步证明了连杆体主承载区油槽和油孔布置不合理是造成该故障的根本原因。图6连杆轴颈轴心轨迹2022 年 11 月31张皓钰等：某型中速柴油机连杆上瓦破裂原因分析及改进措施2.2轴瓦厚度在大型低速柴油机中，轴瓦厚度t和轴承直径D 的比值一般在 0.10 以上，这使得衬背刚度大，对座孔精度要求较低，但其合金层一般较厚，以便装配后进一步通过刮拂实现均匀贴合，但由此可能导致合金层承载能力下降，不便于互换4-5。目前中高速柴油机上普遍采用薄壁轴瓦，其t/D的设计参考值为 0.020.05，t为 1.57.0 mm，合金层厚度为0.20.7 mm。发生故障的柴油机连杆瓦t/D为0.017 3，低于薄壁轴瓦的下限，轴瓦壁厚偏薄。如前所述，该型柴油机在轴瓦座孔最大受力区域布置了油槽和油孔，导致轴瓦受到弯曲应力后产生较大的变形，轴瓦壁厚偏薄进一步加剧轴瓦的变形。在轴承负荷的作用下，壁面因背后失去支承而向下凹陷，凹陷区边缘的壁面向上凸起，导致此处合金层出现早期磨损。凹陷区边缘因应力集中产生裂纹，轻者凹陷区不再受力、裂纹也不再扩大；重者凹陷区瓦背脱落、压溃连杆轴承孔、堵塞油孔、油道，造成更大的机械事故6。因此，连杆瓦壁厚不满足设计要求、连杆瓦厚度偏薄是导致连杆上瓦破裂的重要原因。3改进措施根据上述分析对连杆油槽和油孔结构进行改进，采用横向油孔，使连杆冷却油道避开轴承座孔和轴瓦高负载区，减小连杆主承载区应力以及连杆瓦变形7-8。原结构与改进结构如图9和图10所示。图7连杆瓦油膜压力分布图8改进前连杆应力分布云图图9连杆体原油槽和油孔布置结构图10横向油孔布置结构第44 卷第6 期32柴 油 机通过仿真计算，改进后的连杆轴承孔主承载区最大应力降低约 56.85%，应力值降至 230.92MPa，见图11。通过柴油机耐久试验结果证明对连杆结构的改进有效解决了该型柴油机连杆上瓦破裂问题，详见图12图14。4结论（1）该型柴油机连杆上瓦破裂的根本原因是连杆轴承孔高负载区布置了油槽和油孔。（2）连杆瓦背附加弯曲应力导致凹陷，凹陷区边缘凸起导致其合金层早期磨损和应力集中，进而导致压溃，轴瓦厚度越薄越明显。（3）连杆、连杆瓦冷却润滑油道应避开高承载区布置。参考文献1 周龙保.内燃机学 M.4版.北京：机械工业出版社，2017.2 袁兆成.内燃机设计 M.3版.北京：机械工业出版社，2018.3 廖海峰，尹自斌，陈景锋，等.某柴油机连杆轴瓦开裂原因分析 J.航海技术，2013（3）：60-62.4 李云强，王一，黄日宁，等.内燃机连杆大端轴瓦微动磨损及疲劳研究 J.内燃机学报，2021，39（6）：561-568.5 张乐山.内燃机曲轴轴瓦微动磨损失效分析及预防C/2013年全国失效分析学术会议.大连：中国机械工程学会，2013：25-30.6 张旭峰，王金亭，仇立兵，等.关于 12VPA6-280型柴油机连杆瓦故障分析及改进措施J.柴油机，2021，43（4）：54-57.7 韦浩，高申德，吴玉国，等.柴油发动机连杆轴瓦摩擦副接触变形的数值计算J.轴承，2021（9）：38-43.8 熊平.船用柴油机连杆部件设计D.上海：上海交通大学，2013.图11改进后的连杆应力分布云图图12改进后的连杆耐久试验后拆检情况图13连杆上瓦瓦面耐久试验后拆检情况图14连杆上瓦瓦背耐久试验后拆检情况