康明斯动力（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

康明斯柴油发电机的机油泵齿轮断裂现象分析

 

摘要：机油泵是柴油发电机的重要组成部分，它能够将机油从油底壳吸入，并通过管路送至发动机各部位，确保各部位良好润滑，减少摩擦损失，延长发动机使用寿命。然而，随着发动机使用时间的增加，机油泵内部的零部件就会磨损和老化，导致机油泵流量不足、压力降低、噪音变大等问题，甚至出现完全不能工作的情况。机油泵的传动齿轮轮齿断裂现象，在柴油机中是一种最为常见的齿轮损伤形式。康明斯公司在本文中着重分析造成机油泵轮齿断裂的原因，并提出了采取适当的防护措施，避免由于轮齿断裂的造成严重的柴油机事故。

 

一、机油泵失效形式

 

      机油泵的作用是将机油送到发动机各摩擦部位，使机油在润滑路中循环，以保证发动机得到良好的润滑，机油泵结构如图1和图2所示。当发动机工作时，凸轮轴带动泵体的主动齿轮转动。机油泵是柴油机润滑系统中的重要部件，它的技术状况直接影响润滑系统的正常工作；机油泵经长期工作受到磨损时，将造成压力降低和泵油量减少以及机械故障。

      机油泵齿轮传动的失效形式有齿面点蚀、胶合、磨损、塑性变形和轮齿断裂。其中，机油泵轮齿断裂现象在机械传动柴油发电机中，是一种最为常见的齿轮损伤形式，也是造成齿轮失效的主要原因。轮齿断裂根据产生的原因和断口性质不同，可以分为过载断裂，轮齿剪断，塑变后断齿，随机断齿和疲劳断齿。轮齿断裂一般发生在齿根部位。

（1）由于法向压力Fn沿齿面移动，机油泵齿根应力不断变化（若单侧受力，齿根弯曲应力为脉动循环应力；若两侧受力，齿根弯曲应力为对称循环应力），同时有应力集中，致使齿根发生疲劳裂纹。经历长期应力循环，裂纹不断扩展，导致整个轮齿出现疲劳折断。

（2）由于短时间严重过载，致使机油泵轮齿突然折断。折断形式，可以从断口上进行判断，疲劳折断由于在产生微裂纹疲劳源处反复挤压扩展，最后导致折断，所以断口大部分区域比较光亮、平整。而突然折断的断口比较粗糙。

（3）较为常见的还有机油泵随机断齿，随机断齿是指意外情况引起的断齿。其显著特征是轮齿折断部位不是在轮齿齿根弯曲应力最大的地方，它可能是在轮齿上的任何一个部位折断，包括整齿折断或在齿上有缺陷的部分折断。

 

图1  柴油机机油泵模型前视图

图2  柴油机机油泵模型后视图

 

二、机油泵齿轮断裂原因分析

 

1、设计参数错误

      选择不合理设计时选用的齿轮模数偏小，致使齿根弯曲应力较大，安全系数处于临界值时，负荷的增大，如产量提高、柴油发电机老化、产品变更等情况下，都可能引起齿轮轮齿的折断。

2、齿轮的加工精度和安装精度低

      机油泵齿轮合格加工精度如图3所示。例如某柴油发电机的机油泵齿轮发生断齿现象，经分析发现，支承该齿轮的轴承，由于一侧磨损径向间隙增大，导致轮齿严重偏载。在偏载区接触应力超过材料的疲劳接触极限，出现点蚀，点蚀扩展，在次表层的微裂纹连接成片就产生了剥落。在足够的循环应力作用下，这些剥落点蚀坑就会形成弯曲应力产生的微裂纹疲劳源，导致轮齿折断。

3、齿轮的材料及热处理方式选择不当

      机油泵不同的材料，其强度、韧性、抗冲击性也不同。例如，优质合金钢要优于碳钢和一般合金钢。同一种材料，热处理方式不同，其弯曲强度和接触强度也不同。渗碳淬火热处理的齿轮要高于调质齿轮和一般淬火齿轮。

4、加工过程中产生的隐患

      机油泵标准外观如图4所示。例如对于渗碳淬火后的大直径齿轮，为了消除热处理后的变形，在工艺上要采用磨齿加工。在磨削加工过程中，由于砂轮硬度、粒度、材料、磨削厚度、速度、冷却液等诸多因素的影响，可能产生不易观察到的细微裂纹。热处理过程中也会产生细微裂纹和残余应力。导致轮齿折断。但二者形成的裂纹现象不同，通过金相观察磨削裂纹和淬火裂纹明显的区别是：磨削裂纹细而浅，裂纹的方向与砂轮颗粒方向大致垂直，其裂纹数量多少不一，裂纹深度一般为0.05一0.4mm，个别深度达0.8mm，且裂纹周围有灰火色及发蓝颜色。

5、使用维修不当

      例如，新柴油发电机投产时，齿轮传动有个跑合期，在跑合期由于制造及装配均有误差，以及表面凹凸不平等原因，相啮合的轮齿实际上仅部分齿面相接触，因而在初期运转的过程中，这些最初接触的部分，因单位面积受力较大，就会首先出现磨损现象。但当齿轮运转1个时期之后，相啮合的齿面间实际接触面积增大，单位面积上所受的力就相对减小，润滑条件也得到进一步改善，于是这种初期齿面磨损的现象便会逐渐趋于消失。这个过程即是齿轮传动的跑合（磨合）。在齿轮传动的跑合过程中出现的齿轮磨损现象，即称为跑合磨损。由此可知跑合磨损不仅对齿轮无害，而且是新齿轮传动在试运行过程中必经的历程。齿轮传动跑合时间的长短，与其中较硬齿面的粗糙度有关。如较硬的齿面粗糙，跑合时间就长；较硬的齿面平滑，跑合时间就短。因此设计时要求较硬的齿面具有较小的粗糙度。实践证明，齿轮跑合愈好，啮合情况愈理想。跑合过程中为避免发生磨料磨损应定期更换润滑油。如果在跑合期高速满负荷工作，就会加剧磨损，产生磨屑，形成磨粒磨损，齿面磨损会造成齿廓形状改变，齿厚变薄，严重的可以导致轮齿折断。

6、润滑不当

      机油泵齿轮传动中，应始终保持良好的润滑条件，如果润滑油粘度选择不当，润滑油膜不易形成，会造成润滑失败（形成千摩擦）。另外，润滑油不定期更换变脏，会产生磨粒磨损，也会加剧磨损导致轮齿折断。

 

图3  机油泵加工精度示意图

图4  柴油机机油泵外观图

 

三、预防措施

 

1、合理确定设计参数

      在进行齿轮参数的优化设计时，为了提高齿轮的弯曲强度，在条件许可的范围内，应选用较大的齿轮模数，考虑到在柴油发电机使用过程中，由于产量提高，柴油发电机老化、产品变更等因素引起齿轮负荷增大，安全系数应大于临界值。

2、提高齿轮的加工精度和安装精度

      增大齿根过渡处的圆角曲率半径，消除该处加工刀痕，注意材料内部缺陷的检测和消除。增大轴和支承处的刚度，提高安装精度，避免产生较大的振动和偏载。

3、合理地选择材料和热处理方式

      消除加工和热处理过程中产生的细微裂纹和残余应力，特别是在磨削齿轮时，正确选择砂轮的材料、硬度和磨削工艺参数，以避免磨削裂纹。

4、正确使用

      柴油发电机应保持良好的润滑、跑合期避免频繁起动、换向，不超速，不满载，勤检查，选择合适粘度的润滑油，定期更换润滑油，避免由于磨损导致的机油泵轮齿折断。

 

总结：

      柴油机润滑系统能否达到它的使用要求，确保柴油机工作正常，虽然与油道是否畅通、机油滤清器是否发挥作用等因素有关，但主要的、起决定作用的是机油泵的性能是否良好。因此，如果我们在齿轮的设计、选材、制造、安装、使用等方面进行严格的控制，就可以在很大程度上避免机油泵断齿现象的发生。

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