故障檢修與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機的機油泵齒輪斷裂現(xiàn)象分析

 

摘要：機油泵是柴油發(fā)電機的重要組成部分，它能夠?qū)C油從油底殼吸入，并通過管路送至發(fā)動機各部位，確保各部位良好潤滑，減少摩擦損失，延長發(fā)動機使用壽命。然而，隨著發(fā)動機使用時間的增加，機油泵內(nèi)部的零部件就會磨損和老化，導致機油泵流量不足、壓力降低、噪音變大等問題，甚至出現(xiàn)完全不能工作的情況。機油泵的傳動齒輪輪齒斷裂現(xiàn)象，在柴油機中是一種最為常見的齒輪損傷形式?？得魉构驹诒疚闹兄胤治鲈斐蓹C油泵輪齒斷裂的原因，并提出了采取適當?shù)姆雷o措施，避免由于輪齒斷裂的造成嚴重的柴油機事故。

 

一、機油泵失效形式

 

      機油泵的作用是將機油送到發(fā)動機各摩擦部位，使機油在潤滑路中循環(huán)，以保證發(fā)動機得到良好的潤滑，機油泵結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。當發(fā)動機工作時，凸輪軸帶動泵體的主動齒輪轉(zhuǎn)動。機油泵是柴油機潤滑系統(tǒng)中的重要部件，它的技術(shù)狀況直接影響潤滑系統(tǒng)的正常工作；機油泵經(jīng)長期工作受到磨損時，將造成壓力降低和泵油量減少以及機械故障。

      機油泵齒輪傳動的失效形式有齒面點蝕、膠合、磨損、塑性變形和輪齒斷裂。其中，機油泵輪齒斷裂現(xiàn)象在機械傳動柴油發(fā)電機中，是一種最為常見的齒輪損傷形式，也是造成齒輪失效的主要原因。輪齒斷裂根據(jù)產(chǎn)生的原因和斷口性質(zhì)不同，可以分為過載斷裂，輪齒剪斷，塑變后斷齒，隨機斷齒和疲勞斷齒。輪齒斷裂一般發(fā)生在齒根部位。

（1）由于法向壓力Fn沿齒面移動，機油泵齒根應(yīng)力不斷變化（若單側(cè)受力，齒根彎曲應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力；若兩側(cè)受力，齒根彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力），同時有應(yīng)力集中，致使齒根發(fā)生疲勞裂紋。經(jīng)歷長期應(yīng)力循環(huán)，裂紋不斷擴展，導致整個輪齒出現(xiàn)疲勞折斷。

（2）由于短時間嚴重過載，致使機油泵輪齒突然折斷。折斷形式，可以從斷口上進行判斷，疲勞折斷由于在產(chǎn)生微裂紋疲勞源處反復(fù)擠壓擴展，最后導致折斷，所以斷口大部分區(qū)域比較光亮、平整。而突然折斷的斷口比較粗糙。

（3）較為常見的還有機油泵隨機斷齒，隨機斷齒是指意外情況引起的斷齒。其顯著特征是輪齒折斷部位不是在輪齒齒根彎曲應(yīng)力最大的地方，它可能是在輪齒上的任何一個部位折斷，包括整齒折斷或在齒上有缺陷的部分折斷。

 

圖1  柴油機機油泵模型前視圖

圖2  柴油機機油泵模型后視圖

 

二、機油泵齒輪斷裂原因分析

 

1、設(shè)計參數(shù)錯誤

      選擇不合理設(shè)計時選用的齒輪模數(shù)偏小，致使齒根彎曲應(yīng)力較大，安全系數(shù)處于臨界值時，負荷的增大，如產(chǎn)量提高、柴油發(fā)電機老化、產(chǎn)品變更等情況下，都可能引起齒輪輪齒的折斷。

2、齒輪的加工精度和安裝精度低

      機油泵齒輪合格加工精度如圖3所示。例如某柴油發(fā)電機的機油泵齒輪發(fā)生斷齒現(xiàn)象，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，支承該齒輪的軸承，由于一側(cè)磨損徑向間隙增大，導致輪齒嚴重偏載。在偏載區(qū)接觸應(yīng)力超過材料的疲勞接觸極限，出現(xiàn)點蝕，點蝕擴展，在次表層的微裂紋連接成片就產(chǎn)生了剝落。在足夠的循環(huán)應(yīng)力作用下，這些剝落點蝕坑就會形成彎曲應(yīng)力產(chǎn)生的微裂紋疲勞源，導致輪齒折斷。

3、齒輪的材料及熱處理方式選擇不當

      機油泵不同的材料，其強度、韌性、抗沖擊性也不同。例如，優(yōu)質(zhì)合金鋼要優(yōu)于碳鋼和一般合金鋼。同一種材料，熱處理方式不同，其彎曲強度和接觸強度也不同。滲碳淬火熱處理的齒輪要高于調(diào)質(zhì)齒輪和一般淬火齒輪。

4、加工過程中產(chǎn)生的隱患

      機油泵標準外觀如圖4所示。例如對于滲碳淬火后的大直徑齒輪，為了消除熱處理后的變形，在工藝上要采用磨齒加工。在磨削加工過程中，由于砂輪硬度、粒度、材料、磨削厚度、速度、冷卻液等諸多因素的影響，可能產(chǎn)生不易觀察到的細微裂紋。熱處理過程中也會產(chǎn)生細微裂紋和殘余應(yīng)力。導致輪齒折斷。但二者形成的裂紋現(xiàn)象不同，通過金相觀察磨削裂紋和淬火裂紋明顯的區(qū)別是：磨削裂紋細而淺，裂紋的方向與砂輪顆粒方向大致垂直，其裂紋數(shù)量多少不一，裂紋深度一般為0.05一0.4mm，個別深度達0.8mm，且裂紋周圍有灰火色及發(fā)藍顏色。

5、使用維修不當

      例如，新柴油發(fā)電機投產(chǎn)時，齒輪傳動有個跑合期，在跑合期由于制造及裝配均有誤差，以及表面凹凸不平等原因，相嚙合的輪齒實際上僅部分齒面相接觸，因而在初期運轉(zhuǎn)的過程中，這些最初接觸的部分，因單位面積受力較大，就會首先出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。但當齒輪運轉(zhuǎn)1個時期之后，相嚙合的齒面間實際接觸面積增大，單位面積上所受的力就相對減小，潤滑條件也得到進一步改善，于是這種初期齒面磨損的現(xiàn)象便會逐漸趨于消失。這個過程即是齒輪傳動的跑合（磨合）。在齒輪傳動的跑合過程中出現(xiàn)的齒輪磨損現(xiàn)象，即稱為跑合磨損。由此可知跑合磨損不僅對齒輪無害，而且是新齒輪傳動在試運行過程中必經(jīng)的歷程。齒輪傳動跑合時間的長短，與其中較硬齒面的粗糙度有關(guān)。如較硬的齒面粗糙，跑合時間就長；較硬的齒面平滑，跑合時間就短。因此設(shè)計時要求較硬的齒面具有較小的粗糙度。實踐證明，齒輪跑合愈好，嚙合情況愈理想。跑合過程中為避免發(fā)生磨料磨損應(yīng)定期更換潤滑油。如果在跑合期高速滿負荷工作，就會加劇磨損，產(chǎn)生磨屑，形成磨粒磨損，齒面磨損會造成齒廓形狀改變，齒厚變薄，嚴重的可以導致輪齒折斷。

6、潤滑不當

      機油泵齒輪傳動中，應(yīng)始終保持良好的潤滑條件，如果潤滑油粘度選擇不當，潤滑油膜不易形成，會造成潤滑失?。ㄐ纬汕Σ粒?。另外，潤滑油不定期更換變臟，會產(chǎn)生磨粒磨損，也會加劇磨損導致輪齒折斷。

 

圖3  機油泵加工精度示意圖

圖4  柴油機機油泵外觀圖

 

三、預(yù)防措施

 

1、合理確定設(shè)計參數(shù)

      在進行齒輪參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計時，為了提高齒輪的彎曲強度，在條件許可的范圍內(nèi)，應(yīng)選用較大的齒輪模數(shù)，考慮到在柴油發(fā)電機使用過程中，由于產(chǎn)量提高，柴油發(fā)電機老化、產(chǎn)品變更等因素引起齒輪負荷增大，安全系數(shù)應(yīng)大于臨界值。

2、提高齒輪的加工精度和安裝精度

      增大齒根過渡處的圓角曲率半徑，消除該處加工刀痕，注意材料內(nèi)部缺陷的檢測和消除。增大軸和支承處的剛度，提高安裝精度，避免產(chǎn)生較大的振動和偏載。

3、合理地選擇材料和熱處理方式

      消除加工和熱處理過程中產(chǎn)生的細微裂紋和殘余應(yīng)力，特別是在磨削齒輪時，正確選擇砂輪的材料、硬度和磨削工藝參數(shù)，以避免磨削裂紋。

4、正確使用

      柴油發(fā)電機應(yīng)保持良好的潤滑、跑合期避免頻繁起動、換向，不超速，不滿載，勤檢查，選擇合適粘度的潤滑油，定期更換潤滑油，避免由于磨損導致的機油泵輪齒折斷。

 

總結(jié)：

      柴油機潤滑系統(tǒng)能否達到它的使用要求，確保柴油機工作正常，雖然與油道是否暢通、機油濾清器是否發(fā)揮作用等因素有關(guān)，但主要的、起決定作用的是機油泵的性能是否良好。因此，如果我們在齒輪的設(shè)計、選材、制造、安裝、使用等方面進行嚴格的控制，就可以在很大程度上避免機油泵斷齒現(xiàn)象的發(fā)生。

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