【船机帮】320柴油机凸轮轴轴承套烧坏原因分析及改进措施

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导读

前些时间，（原稿发表于2011年7月）在连续几个月内320型柴油机在总装车间进行台架试验时陆续发生多起凸轮轴轴承座、轴承套烧坏事故，导致曲轴箱防爆门起爆，其中8320型柴油机有2起，同一台12V320型柴油机的第Ⅰ列凸轮 轴轴承座轴承套连续烧坏2次。

另外，在该时间段也接到工程部反馈有几个用户在运行过程中出现凸轮轴轴承座轴承套烧坏事故。 

320系列柴油机是70年代开发的产品，当时已生产近千台在运行使用，但很少报告类似事故发生。

事故连续出现，引起了我们的注意，必须尽快找到原因加以解决。

一

事故原因的排查

第一台是8320型柴油机在台架试验时发生凸轮轴轴承座轴承套烧坏事故。

烧坏后的现象主要为：

轴承套内孔拉烧，外表发黑外径减小，轴承套沿轴向伸长，两端与定位套和定位环摩擦拉烧，轴承座、凸轮轴受热变黑变形，个别甚至引起端轴承损坏（见图1）。 

通常，导致轴承套短时间损坏的原因主要有：

① 轴与轴承套配合间隙不合适，过小或过大；

② 轴承套失油或润滑不顺畅； 

③ 润滑油污染或外来杂质过多划伤；

④ 轴承过载。

根据以上可能导致损坏的原因进行排查。

第一、 零件尺寸检查。

发生事故的零件经摩擦高温后已损坏或变形严重，无法复核尺寸，对库存零件检查未发现异常，所有尺寸符合图纸要求。

说明装配用零件应该是合格的，轴与轴承套配合间隙没问题。 

第二、检查凸轮轴轴承座轴润滑油道畅通，零件无失油干摩擦痕迹，其它摩擦副未见由于润滑油污染或有异物划伤痕迹，润滑油油品正常。 

第三、是否存在过载情况。

320型柴油机是老产品，已生产几十年近千台，都正常运行，如是过载原因应是共性的，会有很多凸轮轴轴承座轴承套烧坏案例发生。但从该产品开始生产到之前却极少类似事故发生，说明本次事故不是轴承过载引起。

第四、在来看看凸轮轴轴承座结构如图2所示。 

柴油机工作时凸轮轴1由右往左看顺时针旋转工作，凸轮轴齿轮7为斜齿轮，工作时有由左向右的轴向力产生，有带动凸轮轴1及定位套2由左向右移动的趋势。

我们怀疑是定位套2压紧在轴承座4和轴承套5端面上，封闭了轴承套左边的出油口，致使由A孔进入的润滑油无法顺畅从轴承套左边排出，润滑油发热导致轴承套等烧坏。

检查定位套2、轴承座4和轴承套5 端面上确实严重的摩擦烧伤痕迹。

为此，在定位套2和定位环6两接触面上增加 “十”字泄油槽，同时，安装轴承座时检查并确保轴套与凸轮轴四周间隙分配均匀合理。

至台架试验结束，轴承座工作正常，而之后一段时间试验的320型柴油机都未发生类似事故，问题似乎得到解决。 

然而不久后一台8320ZCd-6型柴油机台架试机时再次发生凸轮轴轴承座烧坏事故，紧接着旁边台架的12V320型柴油机第Ⅰ列凸轮轴轴承座也发生烧坏，且12V320型柴油机在按定位套2和定位环6两接触面上增加“十”字泄油槽，两边各设置一个定位环6 后，重新试车该轴承座仍发生烧坏。

这说明原先怀疑的润滑油排出不顺畅，导致轴承套发热烧坏不成立，必须另找原因。 

对比观察12V320型柴油机两次烧坏的轴承套发现，轴承套内孔表面烧伤严重部位都位于方位相同的布油槽（每个轴承套2条布油槽）的同一侧表面（见图 3），且轴承套安装到轴承座后的该布油槽的方位也基本相同（见图4）。

由此得到启示，是否是布油槽的位置不合理，在轴承套受力方向不能形成油膜所致？于是从轴承套受力和油膜形成角度进行分析和排查。

在端轴承座4位置凸轮轴受到的作用力有两方面，一方面来自凸轮的工作力，一方面来自齿轮副的作用力。

来自凸轮的工作压力又以喷油泵工作力为主 （见图5），气阀凸轮工作力可以忽略不计。 

根据测试最大供油压力约为100 MPa，型柴油机第Ⅰ列凸轮轴轴承座4的受力见图6，喷油滚轮作用在凸轮轴上的力Pt=52.4 kN，齿轮圆周力Ft=8.2 kN，齿轮径向力Fr=3.0 kN，合成力Fbt=8.7 kN，作用在轴承座总合力P=48.1 kN。

由计算可知，供油凸轮的作用力在0~26°范围摆动（见图5），轴承座的受力约在0~33.6°范围摆动 （见图6），其中最大作用力在33.6°处。

由轴心轨迹计算理论可知，旋转轴工作时会产生油契的旋转效应，即当轴颈旋转时，滑油在工作表面带动下，从hmax侧进入油契，从hmin侧流出，在收敛的油契内建立起流体动压力P。

P分布于偏心线A-A之一侧，油膜压力的总合力P与偏心线A-A之间的夹角为θ（图7）。

夹角θ大小与转速ω、间隙、和作用力P等有关。

对于320型柴油机经估算在15°左右，那么最小油膜位置将会出现在约45°左右范围，如轴承套按（图4）安装，最小油膜刚好落在轴套的一条布油槽内。

由此分析认为，布油槽设置在最小油膜厚度的高压区域，滑油从hmax侧进入油契到达布油槽区域时，由于空间突然增大而泄压，油膜遭到破坏，凸轮轴在重载作用下与轴承套直接接触，导致凸轮轴与轴承套摩擦发热而烧坏。 

检查有关图纸文件，并未对轴承套布油槽的安装方位有任何要求，当时的安装工人对于轴承套布油槽的安装方位也没有意识，随意安装。 

轴承套内表面有2条布油槽成180°分布，油槽宽约26°，如随意安装将有大于30%的概率布油槽落在受力区域。

之前没有或极少发生轴承套烧坏事故，估计或许是之前有一些口头上传下来的要求，或者是安装工人有固定的安装习惯刚好布油槽没落在油膜最小的高压区，这不得而知。

安装工人更换后，安装习惯改变，导致频繁出现轴承套烧坏事故。 

总合上述分析认为，由于图纸中没有明确规定轴承套布油槽在轴承座的安装方位，轴承套冷入时布油槽方位存在随意性，当布油槽处于油膜厚度最小区域 （高负荷区域）时，油膜遭到破坏，从而导致凸轮轴与轴承套摩擦发热直至烧坏。

二

改进措施

分析320直列柴油机凸轮轴受力（图8）和12V320 型柴油机第Ⅱ凸轮轴受力（图9），情况与12V320型柴油机第Ⅰ凸轮轴相似。

到此，可以肯定地说，320 型柴油机凸轮轴轴承座轴承套烧坏事故都是轴承套布油槽安装在高负荷区域造成的。

根据凸轮轴三种安装状态的受力分析，选择了一个能同时满足三种安装状态的轴承套油槽布置角度，如图10所示的30°范围的低油压区域，修改有关图纸文件，明确轴承套油槽安装要求。

三

结束语

调整凸轮轴轴承套油槽安装角度后，台架的 12V320型柴油机顺利完成出厂试验，凸轮轴轴承套工作正常。

随后推广到所有320系列柴油机，几年时 间过去了，到目前为止已有近300多台320型柴油机完成出厂试验，再未发生凸轮轴轴承套烧坏事故。

本文原创作者系：

广州柴油机厂股份有限公司   李 宁，李志军  

END