柴油機連桿彎曲分析及預防措施

連桿是柴油機最重要的部件之一,連桿在工作過程中,要承受周期性不斷變化的燃燒壓力和慣性力的交變載荷作用,其工作條件十分惡劣,在船舶輪機管理工作中,對連桿的檢查工作是不容忽視的。在修理工作中,多次遇到連桿彎曲、變形,甚至折斷而造成重大機損事故。下面以某輪副機的連桿故障為例,分析連桿彎曲變形的原因及預防措施。

1 案例分析

某輪 1號副機在常規吊缸保養工作中,出現 2號連桿彎曲變形。

機型,YANMAR 6MAL—UT;缸徑,200 mm;行程,240mm;汽缸數,直列 6缸;轉速,1 000 r/m in;最大燃燒壓力,10MPa;功率,463 kW。

1.1 故障描述

該柴油機作為發電機投入使用已有 24年,累計運行 87 000 h,以往未發生同類故障。拆開曲軸箱道門進行檢查,盤車轉動正常,2號連桿在靠近高壓泵端有與缸套右下邊緣碰擦痕跡。吊起活塞時,連桿大端蓋卡在缸套內壁,用電動角磨機磨削后吊出機外。

拆出活塞后發現:①活塞、活塞環、連桿螺栓完好;②缸套內壁除了右下邊緣磨削 15 mm×10 mm凹口外,其余部位光滑,無拉缸痕跡;③連桿軸瓦、活塞銷軸承正常;④連桿桿身彎曲部位距離小頭中心線 240 mm,接近桿身中段。

通過測量數值顯示,大、小端孔中心線不平行度達到 13.5 mm/m,大大超過了 JT/T54-93《船用柴油機連桿彎曲偏差》中 “大、小端孔中心線不平行度不大于 0.02mm/m”的規范要求;除連桿彎曲變形外,其余數值在合格范圍內。為了安全起見,我們將其余 5根連桿全部拆出作測量檢驗,結果均正常。

1.2 案例分析與探討

檢修前,柴油機運轉正常,使用負荷在 50%以下,查閱以往修理記錄,距離上次檢修時間為3 200 h,可以判斷連桿彎曲發生的時間是在這3 200 h的時間內。

從材料力學性能可以得知,材料的疲勞壽命與交變應力的大小有關。如果材料承受的交變應力小于材料的疲勞極限,則材料可以承受無數次交變應力而不會發生疲勞變形 (即疲勞壽命無限)。在交變應力作用下,如果疲勞壽命超過 106～107次交變應力以上,則可視為該零件承受的交變應力小于材料的疲勞極限,在正常使用的情況下,該零件不會發生疲勞損傷。

該機在出現連桿變形前,累計運行時間87 000 h,按照轉速 1 000 r/min計算,連桿已經承受 2.61×109次交變應力循環作用,大大超過 107次疲勞極限,也就是說,排除了由于材質原因導致連桿彎曲變形的可能,而最大的可能是該連桿在使用過程中曾受到過負荷損傷,主要表現為:①啟動前燃燒室進水,產生液擊,這種情況對連桿的損傷極大;②啟動瞬間超負荷,該類型柴油機采用1.8～3 MPa壓縮空氣啟動,在油門拉桿安裝了一套啟動限油裝置,以控制啟動時高壓泵供油量,在檢查中,我們發現啟動限油裝置不起作用,柴油機在風油并進階段因供油量過大,汽缸安全閥起跳,出現瞬間超負荷;③運轉中各缸供油量不均勻,導致個別缸長時間超負荷;或者供油提前角過早,汽缸燃燒壓力過高;機器負荷變化劇烈,或者突然停車。這些都會造成連桿過負荷損傷。

2 預防措施和使用建議

YANMAR柴油機是目前船舶常用機型,該機型用途廣泛,可靠性好,出現連桿彎曲是個別現象,但也要引起足夠重視。

通過以上對 YANMAR 6MAL—UT柴油機連桿彎曲的分析,連桿彎曲屬于非正常疲勞損傷造成,如果不采取預防措施,此類型故障還會繼續出現,嚴重的話會導致整臺柴油機報廢。

連桿由開始彎曲到造成機損有一個過程,建議在以后的工作中應在以下幾個方面多加注意。

①加強對連桿檢查,如能及時發現,可避免事故的發生,就案例柴油機而言,連桿桿身與缸套下邊緣的距離很小,連桿稍有彎曲,就會與缸套下邊緣摩擦,因此平時定期開曲軸箱道門檢查,這是最簡單,也是最有效的的辦法。②在每次拆檢修理前,對連桿檢查,除常規的連桿螺栓、連桿大端孔、軸瓦、活塞銷等部件外,還要測量連桿的彎曲值。③在每次啟動前,開啟示功考克盤車,避免由于有水進入汽缸造成液擊。④使用中經常觀察機械運行參數,特別是對 Pmax的檢測,盡量減少突變負荷、突然停車。⑤對啟動限油裝置進行檢查、調整,避免啟動時油量過大。⑥特別值得注意的是,一般更換隨機新連桿備件時,也要做好測量工作,筆者曾經經歷隨機新連桿備件變形的情況,連桿備件由于長時間平放在備件箱內,連桿桿身中部下垂變形。正確的連桿放置方法是連桿垂直固定懸掛,對于變形的連桿,可采用冷態或熱態下校直、測量合格后使用。