故障檢修與技術維護

康明斯柴油發電機的機油泵齒輪斷裂現象分析

 

摘要：機油泵是柴油發電機的重要組成部分，它能夠將機油從油底殼吸入，并通過管路送至發動機各部位，確保各部位良好潤滑，減少摩擦損失，延長發動機使用壽命。然而，隨著發動機使用時間的增加，機油泵內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，甚至出現完全不能工作的情況。機油泵的傳動齒輪輪齒斷裂現象，在柴油機中是一種最為常見的齒輪損傷形式。康明斯公司在本文中著重分析造成機油泵輪齒斷裂的原因，并提出了采取適當的防護措施，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動機各摩擦部位，使機油在潤滑路中循環，以保證發動機得到良好的潤滑，機油泵結構如圖1和圖2所示。當發動機工作時，凸輪軸帶動泵體的主動齒輪轉動。機油泵是柴油機潤滑系統中的重要部件，它的技術狀況直接影響潤滑系統的正常工作；機油泵經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，機油泵輪齒斷裂現象在機械傳動柴油發電機中，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。輪齒斷裂根據產生的原因和斷口性質不同，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，機油泵齒根應力不斷變化（若單側受力，齒根彎曲應力為脈動循環應力；若兩側受力，齒根彎曲應力為對稱循環應力），同時有應力集中，致使齒根發生疲勞裂紋。經歷長期應力循環，裂紋不斷擴展，導致整個輪齒出現疲勞折斷。

（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，疲勞折斷由于在產生微裂紋疲勞源處反復擠壓擴展，最后導致折斷，所以斷口大部分區域比較光亮、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、設計參數錯誤

      選擇不合理設計時選用的齒輪模數偏小，致使齒根彎曲應力較大，安全系數處于臨界值時，負荷的增大，如產量提高、柴油發電機老化、產品變更等情況下，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。例如某柴油發電機的機油泵齒輪發生斷齒現象，經分析發現，支承該齒輪的軸承，由于一側磨損徑向間隙增大，導致輪齒嚴重偏載。在偏載區接觸應力超過材料的疲勞接觸極限，出現點蝕，點蝕擴展，在次表層的微裂紋連接成片就產生了剝落。在足夠的循環應力作用下，這些剝落點蝕坑就會形成彎曲應力產生的微裂紋疲勞源，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，優質合金鋼要優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質齒輪和一般淬火齒輪。

4、加工過程中產生的隱患

      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，可能產生不易觀察到的細微裂紋。熱處理過程中也會產生細微裂紋和殘余應力。導致輪齒折斷。但二者形成的裂紋現象不同，通過金相觀察磨削裂紋和淬火裂紋明顯的區別是：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藍顏色。

5、使用維修不當

      例如，新柴油發電機投產時，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，就會首先出現磨損現象。但當齒輪運轉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的齒輪磨損現象，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。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生磨料磨損應定期更換潤滑油。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，會造成潤滑失敗（形成千摩擦）。另外，潤滑油不定期更換變臟，會產生磨粒磨損，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、預防措施

 

1、合理確定設計參數

      在進行齒輪參數的優化設計時，為了提高齒輪的彎曲強度，在條件許可的范圍內，應選用較大的齒輪模數，考慮到在柴油發電機使用過程中，由于產量提高，柴油發電機老化、產品變更等因素引起齒輪負荷增大，安全系數應大于臨界值。

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生的細微裂紋和殘余應力，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，以避免磨削裂紋。

4、正確使用

      柴油發電機應保持良好的潤滑、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：

      柴油機潤滑系統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、機油濾清器是否發揮作用等因素有關，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象的發生。

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