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发动机故障分析培训 轴承失效分析 滑动轴承作用 保护轴并承受剧烈的负载 压力和温度 将轴定位吸收有害的磨料 轴承的构造 衬套 了解轴承的名称及其说明 会帮助你分析失效的原因并解释你的发现 这样就会减少误解和混淆 轴承结构 钢背 轴承钢背由整片钢带制成 提供轴承所需的强度 轴承结构 衬 较低硬度的衬均匀地结合在钢背上 以能适应轴上的小缺陷 同时衬还能吸收一些有害的颗粒物而不致引起进一步的破坏 轴承结构 油孔及定位舌 油孔和油槽向轴和轴承部位提供机油 更换带油孔的轴承时确保更换油孔位置对准 定位舌将轴承固定到位 消除可能的移动和转动 并非所有的轴承都有油孔和油槽 轴承结构 分型面 主轴承和连杆轴承制造成带有伸展余量 当轴承压装到位时 余量确保轴承和轴承孔精密配合 分型面之间的距离要大于轴承座孔的直径 当轴承压装到位时 轴瓦分型面稍微高于轴承座 轴承结构 表面镀层 显微镜下的轴瓦表面如图5a所示呈锯齿状 金属表面间的润滑层使粗糙的表面彼此之间能平稳的转动 如图5b所示 轴承结构 表面镀层 轴瓦表面镀层有划伤或因为深的刮痕或颗粒而受损 润滑层的作用将受到削弱或破坏 图5c 这些划痕边缘上压力分布的变化会产生过多的热量 导致润滑和金属的进一步恶化 正确的油膜间隙是影响轴承寿命的唯一最重要的因素 任何恶化都会导致轴承的损坏 轴承的负载 主轴承 主轴颈从支承点开始运动 图6a 逆时针旋转 轴承与轴颈表面间自然形成一弯曲的楔形 活塞上行 轴带动着机油转到轴承的左侧 润滑油顺着旋转方向被不断的带入楔形间隙 由于间隙越来越小 根据流体通过管道时流量不变的原理 当楔形间隙逐渐减小时 则润滑油的流速将逐渐增大 使润滑油被挤压 从而在轴的左下方形成油膜压力 图6b 活塞下行 轴被推向右侧直到向下的负载由油膜平衡 图6c 在整个运动过程中 轴浮在油膜上 使得轴承上的作用力最小 轴承的负载 连杆轴承 连杆轴承负载在轴承上产生三种不同的承载压力 燃烧对连杆轴承上瓦产生巨大的向下冲击力 图7a 绕着曲轴运动的连杆产生较大的离心力 图7b 当活塞惯性运动 向上 时 连杆轴承上瓦产生惯性作用力 图7c 轴承的负载 主轴承下瓦的负载远大于上瓦 连杆轴承上瓦的负载大于下瓦 连杆轴承所受的离心力和惯性力的合力有时比燃烧压力还大 连杆轴承所承受的负载比主轴承更加剧烈 轴瓦材料的基本要求 足够的抗压强度和疲劳强度 低摩擦系数 良好的耐磨性 抗粘结性 跑合性 嵌藏性和适应性 热膨胀系数小 良好的导热性和润滑性能以及耐腐蚀性 轴承的金属性能 疲劳强度轴承疲劳是由交变负载造成轴承金属逐步破坏的结果 疲劳开始的信号是轴承表面产生细小的裂纹 这些裂纹向粘合层延伸 当裂纹最终连接到一起时金属块就脱落下来了 钢背结构的轴承具备最优的疲劳强度 轴承的金属性能 强度金属材料抵抗变形的能力 轴承的强度主要有钢背提供 适应性曲轴轴颈不可能绝对园直 轴承孔也是如此 为克服这些轻微的缺陷 轴承必须能够改变自身以适应这些缺陷 强度较低的金属衬和镀层是满足适应性能必须的 轴承的金属性能 嵌藏性 可嵌入性 无论系统如何清洁 总会有一些污垢 污垢中的颗粒物会划伤轴承 如果轴承表面能够吸收颗粒 就能防止进一步的破坏 低硬度的金属衬和就能满足适应性和嵌藏性的要求 耐腐蚀性包括水和其它化学品在内的燃烧副产物结合形成能腐蚀轴承金属的酸性物质和化合物 轴承金属必须能够抵抗所有这些可能存在的腐蚀 轴承的金属性能 减摩性 抗胶合性完全阻止轴承和轴之间的接触是不可能的 因此期望两种金属在接触的情况下仍能转动 在这种情况下 必须有一种能够抗粘结的材料 以帮助在润滑有限的情况下防止故障的发生 传热性摩擦运动会产生大量的热量 部分热量由润滑油带走 大部分必须通过轴承孔和轴承盖散失出去 要求有一种传热性良好的材料与轴承孔接触 轴承的金属性能 没有一种金属能满足轴承所要求的所有性能 所以轴承是金属的折衷组合体 诊断步骤 建议 不要破坏证据 慢慢进行 了解所有的情况 在拆下轴承盖 连杆 曲轴以及轴承前检查曲轴箱内的零件及他们的状况 拆下轴承并按它们在发动机中的运转位置来布置所有零件 观察各个零件的情况 润滑油 毛刺 划痕或明显的颗粒的数量和状况 轴颈 圆角的情况等等 清洁并标识各轴承以便永久识别其位置 在定位舌部位标识字母和数字是一个好办法 检查金属的类型以及损坏程度 检查轴 轴承座以及相关零件 滤清器等 的情况和异常情况 利用发动机保养记录 你能了解到的操作者的信息以及拆下的轴承等信息来分析产生故障的原因 轴承失效分析 一般程序从失效轴承的明显损坏类型确定轴承失效原因 检查并考虑到发动机中的所有连杆轴承和主轴承 当失效轴承被完全破坏的情况下 尤其需要细致地检查其他的轴承是否存在引起失效的损坏条件的迹象 还必须检查连杆 曲轴 润滑系统零件 滤清器是否破裂或堵塞 以及发动机中的其他零件 要有识别和区分各种不同类型的损坏的能力 轴承失效分析 轴承的故障能直接追溯到润滑不足或油膜被破坏 任何能干扰和破坏油膜的材料 故障 不对中或化学反应等将会导致某种损坏和几乎确信无疑的失效 可根据下图所示基本原因的相应比例来判断故障 污垢是运动金属部件 轴承 的首要敌人 污垢引起的失效 微粒造成的磨损 轴承磨损产生深及铜衬的光滑表面 一般情况下 运转150 000英里 4 000小时 之前 大面积出现这种类型的磨损 应当怀疑存在过多的微粒污垢 污垢引起的失效 微粒造成的磨损 来源 进气 空气滤清不良 润滑油 滤清不良 大修期间集灰处理润滑油或零件不小心燃烧产生的副产物 污垢引起的失效 进气歧管种大量灰尘 连杆瓦显现出微粒引起的严重擦伤 污垢引起的失效 粗颗粒造成的磨损 当滤清器破裂或堵塞 机油旁通 轴承表面可能会显示长而深的刮痕 这些刮痕降低了润滑效果和散热能力 刮掉的金属加重了磨损而且产生的热量很快熔化了表面镀层中的铅 污垢引起的失效 粗颗粒造成的磨损这是轴承损坏最频繁的原因 污垢和粗颗粒随润滑油在绕过滤清器后进入轴承间隙 会在轴承表面产生刮痕 这些刮痕大大减小了支撑面积和油膜厚度 金属和金属直接接触的可能性增加 当有很深的刮痕时 金属和刮痕边缘会直接接触挤出润滑油引起过热或轴承疲劳 粗的颗粒和细的污垢都会影响主轴承 但是在曲轴离心力的作用下 通常只有较细的磨料才能到达连杆轴承 粗颗粒在轴承表面产生大而深的刮痕 而细微的污垢起到研磨剂的作用并磨损轴承表面 使零件间间隙增大 案例 污垢引起的失效 粗颗粒造成的磨损 机油滤清器芯破裂 污垢引起的失效 粗颗粒造成的磨损 滤芯破裂 复合机油滤清器不是复合结构滤芯破裂 污垢引起的失效 滤清不良 滤清器堵塞 污垢引起的失效 粗颗粒造成的磨损 滤清器堵塞 机油滤清器旁通阀 机油滤清器旁通阀的设计 保证在机油和机油滤清器不能得到及时更换的情况下 一旦滤清器发生堵塞 阻力超过40psi 旁通阀开启 以防止因主油道缺油损坏发动机 污垢引起的失效 粗颗粒造成的磨损 滤清器破裂或堵塞机油滤清器破裂或堵塞 都会造成未经过滤的机油直接进入主油道 短时间内造成轴承的轻微磨损 如果长时间存在机油不过滤的情况 将对轴承产生致命的 检查机油滤清器芯的情况 能清楚的显示机油滤清器是否存在破裂或堵塞 污垢引起的失效 从摇臂室盖上的油腻可以看出 曾经长时间使用过严重污染变质的机油 这使发动机在换油前就发生了滤清器严重堵塞 使旁通阀开启 并长期运行而磨损轴瓦 污垢引起的失效 固定的污垢颗粒装配期间留在轴承背和轴承孔之间的大颗粒使得轴承不能正确的安装到位 颗粒物的形状通常会显示在钢背上 如果一个大颗粒被嵌入轴承衬中 就会造成轴颈损坏 如果进入轴承盖接触面 颗粒物会破坏轴瓦压紧并使轴瓦松动 污垢引起的失效 污垢引起失效的要点轴承损坏类型 主轴瓦深度磨损 刮痕 疲劳 镀层剥落 连杆轴瓦擦伤 刮痕 原因 机油严重污染 未及时更换机油或更换时处理不当 发动机进灰 滤清不良 滤清器不是纯正的零件 滤清不良 机油滤清器破裂或堵塞 检查要点 机油中的油泥 特别是摇臂室中的机油油泥 加油口是否密封 进气道是否大量污垢 机油滤清器解剖 检查滤芯是否破裂或堵塞 防止污垢引起的失效 按期更换正确规格的机油 按期更换正确规格的滤清器 保持加油清洁 不能让灰尘进入润滑系统 装配过程彻底清洁零件 保证轴承绝对清洁 哪一个是正厂的滤清器 fwp 9 3 00 优质滤清器 vs 普通滤清器 fwp 9 3 00 优质滤清器vs劣质滤清器 过滤效率 优质滤清器比劣质滤清器能够捕捉过滤到更多更细小的杂质颗粒 因此优质高效滤清器能有效减缓因杂质进入发动机系统而造成的发动机零部件磨损 弗列加滤清器捕捉到的杂质 一般滤清器捕捉到的杂质 fwp 9 3 00 滤纸质量 所有滤纸肉眼看上去都相差不大 但是在显微镜下就能够看出优质滤纸与一般 劣质 滤纸之间的天壤之别 对于一般滤纸 它只能够过滤掉很粗大的杂质颗粒 而会让细小的杂质透过滤纸进入发动机系统中 弗列加选用的高质量滤纸 一般滤清器用的粗劣滤纸 优质滤清器vs劣质滤清器 fwp 9 3 00 滤纸胶质量 优质滤纸胶具有极强的粘接力 可以有效地将滤纸与端盖粘接起来 即使在滤芯承受很大的压力时也不会分离脱落 一般滤清器的滤纸胶粘接力极差 粘接后的滤芯的密封性很差 在滤芯承受压力时将会导致开裂 杂质颗粒从滤纸与端盖间的缝隙穿过 使得滤清器失效 失去过滤作用 弗列加滤纸胶密封完整 一般滤清器粘接出现缝隙 优质滤清器vs劣质滤清器 fwp 9 3 00 滤纸首尾粘接 劣质滤清器滤芯滤纸首尾折之间用线缝接或用订书针粘接 这种粘接方式同样会导致滤芯在压力下开裂 杂质颗粒直接穿过缝隙进入发动机系统 优质滤清器则使用专用粘接剂粘接或使用金属夹条连接 金属夹条连接的弗列加滤清器 一般劣质滤清器用订书针和线缝粘接 优质滤清器vs劣质滤清器 fwp 9 3 00 螺纹盖板 普通滤清器的螺纹盖板 密封圈座和外壳普遍存在螺纹有毛刺烂牙 细小金属杂质及锈蚀 这些杂质将会毫无阻拦地进入发动机系统 造成发动机精密零部件的伤害和磨损 弗列加螺纹光洁无毛刺 一般滤清器上的毛刺 优质滤清器vs劣质滤清器 fwp 9 3 00 壳体咬口 一般滤清器的外壳与密封圈座之间的咬合不够坚固牢靠 滤清器在稍高的压力下便会造成泄露 弗列加咬口显微图 一般滤清器咬口显微图 优质滤清器vs劣质滤清器 fwp 9 3 00 中心管 中心管是滤清器的支柱 如果中心管的材质差且纵向咬口连接不牢时 压力稍大将会引起折弯或压瘪 导致滤芯坍塌 阻力增加 弗列加专用中心管机制造的中心管强度高 牢固 弗列加高强度中心管 一般滤清器中心管 优质滤清器vs劣质滤清器 fwp 9 3 00 密封圈 密封圈的质量难以用肉眼识别 但是密封圈的质量好坏将直接影响到过滤效率 劣质橡胶成分或没有严格的质量监控将会导致泄露 杂质进入发动机或机柴油泄露 优质密封圈采用适当的原料 生产流程严格监控 质量有保证 优质滤清器vs劣质滤清器 润滑不足引起的失效 润滑不足 很多情况都能导致轴承部位润滑不足 润滑不足带来的润滑油膜损失常常伴随着金属磨擦 蓝色消褪以及轴承金属与轴粘结 润滑不足引起的失效 间隙性的润滑不足间隙性润滑不足的大多数情况下是由于发动机在起动后立即高速运行造成 根据发动机停机时的温度和停机时间的长短 在发动机起动之后需要15 20秒的时间以使足够的机油流过发动机 如果发动机在起动后达到足够的机油流量之前的几秒钟内加至高速 一些轴承不能得到充分的润滑 当油位过低或吸油管破裂时 会使少量空气漏进润滑系统 这样也会造成间隙性的润滑油流量流失 滤清器发生堵塞时 会发生机油压力瞬间下降 导致间隙性金属直接接触 当存在间隙性润滑不足时会造成擦伤 长期 重复性的间隙性润滑不足会导致过渡磨损和表层剥落 甚至深入铜衬的深度磨损 磨损的结果是使轴承间隙增加 以致在起动条件下 需要更长时间才能形成油膜 且润滑油的流失更严重 油膜承载能力下降 在上诉情况下 金属和金属会直接接触 但每次发生不是很严重或持续时间不长 不足以过分提高轴承的温度 不会引起褪色和其它过热痕迹 润滑不足引起的失效 润滑不足 持续的 当润滑严重不足或持续相当长时间 轴承表面温度显著上升 随着温度升高 轴承和轴颈产生膨胀和变形 轴承间隙减小 油膜间隙靠拢 随着温度的升高 导致金属和金属接触的严重程度提高 轴颈中的润滑油发生燃烧 使得温度在原来的基础上进一步升高 然后发生粘结 撕裂轴承表面或轴承在轴承孔中旋转 在有些情况下 轴承可能完全破坏 由于润滑不足引起的轴承损坏类型变化范围很大 因为温度的复合影响 损坏的程度对油膜间隙和轴承润滑程度的轻微的变化十分敏感 因此 有些轴承可能全部破坏了 而同一发动机中的其它轴承可能只表现出轻微的擦伤或根本没有损坏 导致损坏类型变化的另一个因素是失效过程的损坏阶段不同 在润滑不足的初期 高温熔化了轴承表面和衬重点铅和其他软金属 熔化的铅浮在表面并且部分起到润滑和散热的功效 阻止了温度进一步升高 在软金属磨完之后 破坏过程进行得跟快 润滑不足引起的失效 润滑不足引起的过热和褪色痕迹 长期重复间隙性润滑不足引起的过度磨损和表层剥落 润滑不足引起的失效 检查是否存在下列情况油底壳油位低 滤清器油位低 机油黏度不适应当时的环境温度 润滑油泵或滤清器效率低 吸油滤网 管道或油道堵塞 吸油管泄漏 对作业类型而言油底壳倾角布置不当 轴承供油孔未对正 冷启动操作不当 曲轴油封泄漏 热停机 一道连杆轴瓦因严重损坏 无法用于检查 因此不能确定该连杆轴瓦粘结的原因 其余连杆轴瓦的典型润滑不足的损坏类型如本图所示 注意轴瓦表面过热和严重擦伤或涂污引起的褪色 其他连杆轴瓦上润滑不足引起的损坏 有力地证明润滑不足时失效的原因 如图所示是一组在试验室中故意在没有润滑的情况下运转发动机 测试产生润滑不足损坏类型的轴承 将一台新发动机在试验台上预热运行直至达到额定工况 拆下油底壳的放油塞 大约6分钟之后 油压开始波动 表明油位已降至足够低 以致润滑系统吸入空气 发动机转速立即开始下降 表明轴承发生粘结 发动机立即停机 如图所示 5道连杆轴瓦的上瓦和下瓦都显示出严重的过热损坏 6号连杆瓦严重擦伤 但还不如其余的过热损坏严重 主轴瓦只是轻微擦伤 第2 5道连杆瓦已粘结在轴颈上 无法取下 但是从第1道连杆瓦明显润滑不足的严重擦伤损坏迹象 以及其他轴瓦的擦伤 使润滑不足看起来是最可能的原因 其他轴瓦显示出润滑不足的擦伤 第3道连杆瓦走外圆 完全破坏 3号轴瓦的走外圆的原因不能确定 但是 由于其它轴瓦的显示出擦伤损坏 因此至少润滑不足是极有可能的原因 润滑不足引起的失效 润滑不足失效的各个阶段 润滑不足持续时