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1、内燃机轴瓦气蚀问题探讨殷志航（江苏江淮动力股份有限公司， 盐城 224001）摘要： 分析了内燃机轴瓦气穴侵蚀产生的机理， 指出了气穴侵蚀的类型及原因， 并提出了纠正和预防的 主要措施。 为类似情况提供借鉴。 关键词： 内燃机轴瓦气蚀分析预防引言流动气蚀生成原因分析如下， 当润滑油在不连续表面 高速通过时，由于不能平稳地顺着非连续表面流动且自 轴承表面断开， 便产生很高的流速和扰动而形成紊流， 因 而造成局部压力波动， 于是压力骤降， 气穴由此而生。 当 气穴遇高压而向心爆炸时，便造成邻近部位固体表面的 侵蚀。 需要指出的是，这种流动气蚀与流体侵蚀是不同 的，后者是在没有气穴的情况下由流体中挟
2、带的屑粒冲 刷作用而产生的。 1 . 2 冲击气蚀 （1） 高速或中速发动机主轴瓦短圆周油槽后面一定 距离处的冲击气蚀；（2） 在连杆大端轴瓦上靠近排油长孔端部外一定距 离处的冲击气蚀； 冲击气蚀一般呈腰子形或蘑茹形 、 环 形 、 圆 形 、 半 月 形、 笑脸形、 感叹号形， 有时呈倒品字形， 轻微时只有变色 影痕， 稍重时表面变粗糙 ， 严重时合金呈粒状脱落 ， 甚至 留下深及钢背的脱落坑。 这是最容易造成轴瓦失效的气 蚀形式。 图 1 所示为冲击气蚀的成因。 从 a 到 c 分别是油连续 流动， 油流突然停止， 油流停止流入油孔， 但油孔中的“ 油 柱”因惯性继续向前， 导致压力降低，
3、 气穴形成。 滑油经由主轴瓦非受力瓦周向油槽送至旋转着的轴 颈上的油孔的过程中， 油孔口经过油槽端部时 (图 1b )， 连 续油流会立即停止， 但 油 孔 中 的“ 油 柱 ”因惯性而仍旧向 前流动(图 1c )， 造成孔中的油压降低而产生气穴； 而后随 着轴颈旋转一定角度， 油孔另一端与轴瓦油槽接通， 孔口 油压恢复高压时，气穴流到并在油槽端部出口外发生爆 炸， 导致合金侵蚀。气蚀是在液体中的固体表面由空穴或气泡向心爆炸 所产生的破坏。 当液体中的压力降低至当时温度下的液 体气化压力以下时， 液体蒸发并形成空穴， 这一现象称为 “ 气穴”。 当这些气穴流到压力高的部位或空化部位的压 力增高
4、时， 它们立即压缩并造成向心爆炸， 在液体中产生 很高的局部压力和高温。随着这种爆炸反复发生， 邻近部 位的固体表面就形成了“ 气蚀”1 。 由于气穴向心爆炸的高 强度， 还会发生 化 学 反 应 性“ 气 穴 腐 蚀 ”。 这 些 损 坏 会 同 “ 流体侵蚀”及“ 气蚀性腐蚀”一起交互作用。已经发现， 破 裂的气穴会在滑动轴承的滑油中产生一种称为“ 微观内 燃机效应”的静电放电现象。 轴承表面受到气蚀侵害时， 首先会稍稍变粗糙， 然后 在这些部位的晶界上会形成小孔隙和初始裂纹。 裂纹边 缘尖锐， 先是在表面扩展， 然后逐渐加深。 待裂纹连在一 起时， 便造成轴承材料呈小颗粒状碎裂脱落。 如
5、损坏完全由气穴爆炸引起， 侵蚀部位的结构会显得 很粗糙。气蚀一般都限于局部， 且出现在轴瓦的非承载部 位。 气蚀的发生与许多因素有关： 轴颈转速， 轴承规定载 荷及动压载荷型式(规定载荷变化 周期)， 油孔、 油 槽 和 油 穴边缘的形式， 轴颈上油孔的存在和位置 ， 供油压力 、 滑 油黏度、 温度、 空气和水分含量及污染程度等。 1 气蚀的类型 气蚀从机理上分为下列五 种 主 要 形 式 2 ： 流 动 气 蚀 ； 冲击气蚀； 真空气蚀； 卸载气蚀； 混合气蚀。形式 a 和 b 在静压和动压轴承上都会发生； 而形式 c和 d 仅发生于动压轴承载荷之下； 除以上五种形式之外， 还有其他不易归
6、类的气蚀。圆周油槽 油流1 . 1流动气蚀 流动气蚀是最常见的气蚀形式之一， 特别是斜切口连油柱杆轴瓦易发生。 常见的流动气蚀如下： 油穴边缘的气蚀； 油孔边缘的气蚀； 连杆大端受力瓦短油槽边缘的气蚀； 连 杆轴瓦和主轴瓦邻近接合面削薄处的气蚀；圆周油槽侧 面和邻近轴承表面的气蚀；定位唇冲压缺口与轴承表面 相邻处的气蚀； 轴承表面深度拉痕或凹陷部位的气蚀 （如 合金疲劳剥落坑边缘部位）。气穴 形成油流ab 图 1 冲击气蚀原因示意图c连杆颈油孔中的滑油经由连杆瓦的腰形油孔被抽吸 到连杆孔和小端套， 随着孔两端与油槽的交替接通， 造成现 代 制 造 技 术 与 装 备2012 第 1 期 总第
7、206 期64流油在轴颈径向油孔中的反向瞬间产生压力下降，气穴 生成。滑油完全充满，=0 则表示间隙完全空白。这种方法可通过填充不足部位的形状和变化显示气 蚀， 并可通过另外分析流体动压压力和油膜厚度， 进一步 验证具有气蚀危险的部位。 （2）曲轴轴系供油定时分析采用一套主轴瓦和连杆瓦油槽及油孔模型， 通过旋转 曲轴颈和从不同角度观察可以发现主轴颈和连杆颈上的 油孔， 在进入或离开油槽部位时， 周期性地打开或关闭引起局部压力降低所造成的气蚀, 如冲击气蚀。（3）曲轴油流分析它是供油定时分析手段的一种扩展。 通过一套考虑油 孔横截面积、 流量损失和曲轴角速度的一维稳态液流元 素构成的模型， 检查
8、曲轴油孔网中的大量油流， 显示主轴 颈油孔和连杆颈油孔关闭和开通的数量，从而发现系统 中局部压力降低的部位， 以判别气蚀发生的可能性。 2 . 2 气蚀的一般预防和纠正措施 根据在轴承上实际发生的气蚀类型和本文前面所描 述的机理、 原因， 可采取下列措施有针对地进行纠正：（1）改善轴承和通道中的油流 ： 尽可能使油流连续 、平稳而无中断； 消除锐边和非连续表 面 ， 并使油孔 、 油 槽 和油穴倒大角或倒圆滑；避免轴承表面的凸起和减小削 薄量。 （2）提高供油压力。 （3）减小轴承油隙。（4）选择合适的轴承材料： 锡比铅更抗气蚀。 锡基合 金比铅基合金抗气蚀能力更强。 铝合金 （含有少量锡）比
9、 铜铅合金更抗气蚀；提高材料硬度、 抗拉强度和疲劳强 度； 使轴承合金结构均匀， 无杂质、 软点等缺陷。 （5）使轴承表面光滑， 无气孔和裂隙。（6）清除润滑油中的水份 、 灰 尘 和 污 物 ， 因 为 它 们 会 成为产生气蚀的核。（7）降低油温和提高油的粘度。（8）如果上述步骤均无助于问题的解决， 可改善工作 条件： 降低曲轴转速； 减小额定载荷； 改变动压载荷形式； 减小轴承座振动。 3 结束语 气穴侵蚀是导致内燃机滑动轴承外观改变和失效的 主要形式之一，了解气穴侵蚀发生的机理和主要类型的 形貌特征、 产生原因及纠正预防措施， 对于提高轴瓦工作 可靠性， 延长使用寿命， 具有重要的意义
10、。真空气蚀 这种气蚀只发生在动压载荷轴承上。 它见于上主轴瓦 圆周中线附近油槽两岸， 轻微时损坏呈柳叶形， 严重情况 下呈其他形式。 在动压载荷轴颈轴承中， 当轴心轧迹作瞬时向心运动 时， 轴颈表面急速离开轴承表面， 由于负挤压效应造成轴 颈表面后边产生抽吸和压力降低， 滑油气化而生成气穴。 随后由气穴爆炸造成侵蚀。 1 . 4 卸载气蚀 这类气蚀仅发生在具有圆周油槽的动压载荷轴承上。 轻度的气蚀仅发生在汽油发动机下主轴瓦油槽中，呈长 矛形。 严重的气蚀则出现在下主轴瓦油槽两岸或下连杆 瓦油槽两岸， 从油槽边缘开始， 以“ V”字形逆轴颈旋转方 向发展。 在具有圆周油槽的动压载荷轴颈轴承中，
11、当轴心突然 做离心运动时， 轴颈急速接近轴承表面， 受到挤压的滑油 不仅自轴瓦两端流射， 而且还挤入圆周油槽， 并沿相反方 向作环向冲刷。当随后轴心反向做向心运动时， 由于滑油 流量并未增加， 双向油流却因惯性而未停止运动， 从而导 致压力降低， 气穴产生， 随后爆炸而形成气蚀。 1 . 5 混合性气蚀 （1）由高频振动引起的气蚀由轴颈高频振动， 导致轴颈轴承气蚀的机理， 与真空 气蚀基本相同。其特征表现是： 轴承工作表面大面积覆盖 着无规则的腐蚀点。 振动气蚀在天然气发动机轴承上往 往会发现。 （2）轴承座弹性变形或不正常燃烧引起的气蚀在连杆大端轴承中， 由大端轴承座弹性变形和弯扭振 摆引起
12、的压力降低造成的气蚀，燃烧不正常也会引起类 似的轴承损坏。 这些损坏均属真空气蚀， 提高连杆刚性， 会有助于这类气蚀的预防。1 . 3蚀的预防和纠正2 预防性气蚀分析 气蚀的产生， 在有的机型上几乎无法根除， 是由轴承 润滑系统设计不良所致， 因 此 ， 要 预 防 气 蚀 ， 首 先 要 在 轴 承设计阶段就认真进行预防性气蚀分析. 由于计算流体动 力 学 （CFD）的 广泛应用 ， 某些类型的气蚀 可 以 被 成 功 模 拟。 现有三种已被证实的方法，可以进行气蚀的预防分 析。 （1）弹性流体动压轴承分析该方法是建立在雷诺方程和通过考虑整个轴承座刚 度来描述曲柄销轴心轨迹的基础之上的，轴承
13、和曲轴结 构要素通过压力或几何边界条件建模。 通过引入气蚀和质量守恒定律， 就可能指出具有高气 蚀危险的部位。 为此将雷诺方程用“ 间隙填充因数” 加 以扩展， 无量纲， 在 0 1 之间变化：=1 ， 表示间隙被润2 . 1参考文献1 丁贵普. 气穴和气蚀的故障诊断和排除J . 煤矿机械, 2004 , （5）. 2 郭树祥. 增压器滑动轴承的气穴侵蚀分析及解决措施J . 铁 道机车车辆, 2011 , 31 （2）. （下转第 69 页）工 艺 与 装 备69 为了减少零件与夹具体 5 的接触面，在夹具体 5 的定位平面加工了部分避空部位，在与零件平面定位上均布了 三个 1 的气检防错孔，
14、 当出现零件与夹具定位平面存在 间隙时， 加工程序将无法运行。 4 夹具与机床的连接调节方式及加工工艺 夹具与机床主轴的 连 接 通 过 法 兰 1 的 短 锥 A6 实 现 夹具与机床主轴的定位对中及连接。 夹具的夹紧行程的调 节 方 式 ， 用 内 六 角 扳 手 （6mm）拧开起防尘作用的堵头 13 ， 用内六角扳手 （20mm）调节连接拉杆 18 与机床主轴拉 杆的连接的轴向距离，反复装夹调试至合适的夹紧行程位置， 拉杆调节螺母 19 可以防止夹具的连接拉杆 18 在储 存运输过程中脱落。加工工艺的选择应保证被加工零件的精度和表面粗 糙度， 且效率较高。 根据零件的具体形状和装夹方案，
15、 加工表面的质量要求高， 平面度 0 . 02 ， 表面粗糙度 Ra0 . 8 的 具体要求，加工刀具刀杆选用 90 偏刀，刀粒选用金刚 石， 粗精车采用同一把刀， 加工路线的选择为从中心向边 缘的进刀方向， 压铸毛坯圆周方向分布的入水口和渣包， 入水口采用搭接方式， 入水口部位加工余量为 2MM， 其余 部位加工余量为 0 . 8MM， 进刀次数为粗车进刀二次， 精车 进刀一次， 精车余量 0 . 05MM。5 结语夹具经过数月的使用， 均未出现异常， 零件加 工 质 量 圆满的达到了图纸的设计要求，使零件顺利的投入量产 生产中。夹具与机床主轴的连接通过连接法兰盘 1 的机床连接短锥实现夹具
16、与机床主轴的定位对中，通过连接螺钉 M16X45 与机床主轴端面连接。 连 接 过 度 盘 4 与 固 定 盘 2 的 连 接 通 过 连 接 螺 钉 M10X50 3 相连， 连接过度盘 4 与夹具体 5 的连接通过连 接螺钉 M10X30 6 相连，构成整个夹具体的主体部分， 整 个夹具体的主体部分通过连接螺钉 M12X125 7 与连接法 兰盘 1 连接。夹具体的夹紧部分由套筒活动弹簧夹套 8 ， 套筒固定 弹簧夹套 10 和活动连接座 15 构成, 活动连接座 15 通过连接螺钉 M8X65 11 相连，套筒固定弹簧夹套 10 通过连 接 螺 钉 M10X20 9 采 用 g6/H7 过度配合可靠 的 固 定 在 连 接过度盘 4 上。 导向定位销 13 与固定盘 2 的连接采用过 盈配合，与活动连接座 15 的连接采用间隙配合，保证零 件之间的装配和运动的
