喻昆，許濤，黃保科

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某柴油機(jī)增壓器斷軸原因分析及整改

喻昆，許濤，黃保科

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章對(duì)某柴油機(jī)增壓器的斷軸原因進(jìn)行了詳細(xì)地調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)增壓器軸心軌跡不良是斷軸的主要原因。解決措施采用不帶油楔的浮動(dòng)軸承，同時(shí)將渦端密封環(huán)槽開設(shè)位置由原來的渦輪頭上更改到中間軸上。對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了多次試驗(yàn)驗(yàn)證，均未再次出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。

斷軸；軸心軌跡；油楔

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)09-61-03

1、現(xiàn)象描述

在某柴油機(jī)試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)了多臺(tái)增壓器失效的問題，具體表現(xiàn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中突然停機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)功率提不上去，中冷前壓力及溫度異常。而增壓器下臺(tái)架之后，壓端輪子可正常轉(zhuǎn)動(dòng)，渦端輪子有兩臺(tái)已經(jīng)與蝸殼抱死，另外兩臺(tái)渦輪完全脫落、渦輪葉片磨損嚴(yán)重（如圖1所示）。

圖1 增壓器失效狀態(tài)

對(duì)失效增壓器進(jìn)行了拆解，發(fā)現(xiàn)增壓器出現(xiàn)了斷軸現(xiàn)象，斷軸的部位發(fā)生在渦端（如圖2所示），具體位置有兩處，一處位于滑動(dòng)軸承的定位軸肩處，另一處位于軸與渦輪結(jié)合處的密封環(huán)部位。

圖2 增壓器斷軸位置（兩處）

另外增壓器斷軸還伴隨著葉輪磨損、蝸殼刮擦、浮動(dòng)軸承磨損等一些列現(xiàn)象（如圖3所示）。

圖3 增壓器磨損情況

2、斷軸原因分析

1）檢查所有過度圓角的設(shè)計(jì)尺寸，并檢測庫存件圓角的實(shí)際加工尺寸及加工工藝。

經(jīng)檢查，圖紙圓角的設(shè)計(jì)尺寸為R0.3±0.1，庫存件的抽檢結(jié)果也顯示過渡圓角的控制在涉及范圍之內(nèi)；環(huán)槽處采用的是砂輪磨削工藝，砂輪為成型砂輪--砂輪磨好活塞環(huán)槽后，用金剛石滾輪對(duì)砂輪進(jìn)行修正（100%零件修正）。因此可以初步排除過渡圓角應(yīng)力集中引起的斷軸。

2）軸的材料檢查

軸的材料是一種合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo4，檢測分析顯示失效件軸的化學(xué)成分滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求（如表1所示）。

表1 軸材料檢測結(jié)果

3）斷裂處軸的金相組織檢查

顯微鏡下軸的金相照片顯示軸的斷裂處無缺陷、組織正常（如圖4所示）。

圖4 金相組織檢查結(jié)果

4）軸心軌跡試驗(yàn)

增壓器的軸心軌跡是指增壓器在運(yùn)行過程中軸的中心相對(duì)于理論中心發(fā)生的偏移，軸心的偏移量隨時(shí)間的變化而變化，一段時(shí)間內(nèi)軸心偏移位置的連線就形成軸心軌跡。軸心軌跡的影響因素非常多，比較重要的影響因素包括不平衡量、轉(zhuǎn)速、浮動(dòng)軸承/軸/中間體之間的間隙、浮動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)、振動(dòng)等。

增壓器軸心軌跡變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸、浮動(dòng)軸承、密封環(huán)及中間體等零件之間的油膜被破壞，形成磨損、斷裂等后果。

從拆解情況來看（斷軸樣件及一臺(tái)耐久試驗(yàn)后的樣件），斷軸樣件及全速全負(fù)荷耐久樣件，渦輪端的密封環(huán)及環(huán)槽都出現(xiàn)了較嚴(yán)重的磨損（如圖5所示）。

圖5 斷軸件磨損情況

這個(gè)現(xiàn)象表明目前的增壓器樣件的輪子系統(tǒng)軸心軌跡不好，導(dǎo)致軸心軌跡問題的可能是密封環(huán)和活塞環(huán)槽之間潤滑不良、安裝不到位、軸與軸承的配合不好等因素。

發(fā)生斷軸的樣件采用的是帶油楔/油槽的浮動(dòng)軸承（如圖6所示），該軸承雖然有利于存油潤滑，但是會(huì)引起軸心軌跡的偏移量比較大，這將導(dǎo)致軸心軌跡變差，進(jìn)而使得軸與軸承之間、軸與渦端密封環(huán)之間發(fā)生磨損，最終導(dǎo)致斷軸。

圖6 浮動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)圖

此外，該增壓器密封環(huán)槽開設(shè)在在渦輪頭上，而渦輪頭的材料相對(duì)偏軟，比較容易出現(xiàn)密封環(huán)和環(huán)槽不耐磨的問題，會(huì)進(jìn)一步磨損造成軸晃動(dòng)、軸心軌跡不穩(wěn)，進(jìn)而動(dòng)平衡破壞、軸斷裂。

3、整改措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

1）整改措施

圖7 改進(jìn)樣件密封環(huán)位置及焊接位置

針對(duì)前面的分析，帶油楔/油槽的浮動(dòng)軸承及密封環(huán)槽開設(shè)在在渦輪頭上是增壓器軸斷裂的主要原因，因此，整改樣件采用了不帶油楔的浮動(dòng)軸承，采用Friction welded(摩擦焊接)，并將渦輪頭活塞環(huán)槽位置移至軸上（因?yàn)檩S的硬度較高HV350~450，可以增強(qiáng)密封環(huán)與環(huán)槽的耐磨時(shí)間，延長增壓器的使用壽命），如圖7所示。

2）試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）軸心軌跡試驗(yàn)

為進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)當(dāng)前狀態(tài)及改進(jìn)后的狀態(tài)進(jìn)行軸心軌跡試驗(yàn)，樣件狀態(tài)如表2所示。

表2 軸心軌跡試驗(yàn)樣件狀態(tài)

軸心試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。在穩(wěn)態(tài)工況，兩個(gè)樣件的軸心軌跡均較好，明顯小于限值（圖中BW Limit）；而在瞬態(tài)工況下，當(dāng)前狀態(tài)樣件（Sample 1）的軸心軌跡曲線波動(dòng)較大，不平穩(wěn)，而改進(jìn)后樣件（Sample 2）的軸心軌跡情況明顯優(yōu)于當(dāng)前狀態(tài)，滿足限值要求。

圖8 軸心軌跡對(duì)比

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)

除了軸心軌跡試驗(yàn)外，還需在發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證優(yōu)化后的增壓器是否還會(huì)出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了多輪可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，包括：300小時(shí)熱沖擊試驗(yàn)，800小時(shí)交變?cè)囼?yàn)，均未再次出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象（如圖9所示）。

圖9 可靠性試驗(yàn)后改進(jìn)狀態(tài)樣件磨損情況

4、結(jié)論

通過調(diào)查分析，找出導(dǎo)致斷軸的原因是軸心軌跡不好導(dǎo)致，解決措施是改用新的不帶油楔的浮動(dòng)軸承，同時(shí)將渦端密封環(huán)槽開設(shè)位置由原來的渦輪頭更改到中間軸上。這樣一方面可以優(yōu)化軸心軌跡，另一方面提高渦端密封環(huán)與中間軸的耐磨性，降低斷軸風(fēng)險(xiǎn)，提高增壓器壽命。

整改后，經(jīng)過多輪可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，未再次出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象，說明整改措施有效。此外，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，后期還需對(duì)投放市場的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行長期跟蹤，防止出現(xiàn)增壓器斷軸現(xiàn)象。

[1] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]. 北京：人民交通出版社. 2003,02.

[2] 仇鑫堯, 于成安. 一起MAN/NA-70主增壓器斷軸故障原因分析[J].航海技術(shù),2001（03）.

Analyses and Resolve to a Turbocharger Shaft-broken Malfunction

A diesel engine turbocharger has shaft-broken in trials, This paper analyzed the malfunction detailedly, find the malfunction was caused by badly shaft center trajectories. Effective measures was taken that a new floating bearing without oil wedge was used, and at the same time the groove used for installing isolation gasket was machining on the intermediate shaft which was cut on the turbine head before. Finally the optimized measures was tested repetitively, and the shaft-broken wasn’t recurred.

Shaft-broken; Shaft Center Trajectories; oil wedge

U472.4

A

1671-7988 (2017)09-61-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.09.023

喻昆，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。