某型柴油機(jī)曲軸異常損傷原因淺析

黎鋅

摘 要：曲軸是柴油機(jī)中技術(shù)要求高，造價(jià)較昂貴的部件之一，由于其工作中承受較大的周期性的交變載荷，從而容易出現(xiàn)磨損。本文通過對(duì)某型柴油機(jī)曲軸和連桿大端軸瓦磨損狀況的講述，對(duì)其磨損的原因進(jìn)行了分析，并以此為據(jù)提出了相應(yīng)的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；曲軸；軸瓦；異常損傷；原因；對(duì)策

1.引 言

Xx公司“xx龍”是一艘大型的電力推進(jìn)工程船，其發(fā)電原動(dòng)機(jī)采用xx型柴油機(jī)。該機(jī)型也是xx公司首次采用的大型發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)，我們對(duì)該機(jī)型缺乏足夠的了解，沒有足夠的維修經(jīng)驗(yàn)。雖然主機(jī)廠推薦的大修周期為12000～20000小時(shí)。考慮到該發(fā)電機(jī)的實(shí)際工況比較惡劣（長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行且負(fù)荷突變頻繁），僅憑外部觀察到的運(yùn)行參數(shù)，我們并不能對(duì)柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如缸套、活塞環(huán)、活塞、曲軸、軸瓦等重要部件狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，為確保設(shè)備的安全運(yùn)行，我們把第一次大修的時(shí)間定在廠家推薦的下限，即12000小時(shí)，以便盡早掌握柴油機(jī)內(nèi)部的狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷，并隨時(shí)根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況進(jìn)行更好的維護(hù)和保養(yǎng)。

2.故障現(xiàn)象

首先對(duì)2號(hào)柴油機(jī)進(jìn)行大修（總運(yùn)行時(shí)間：13320小時(shí)），在拆除了每缸的連桿大頭并把活塞吊出后，初步檢查，發(fā)現(xiàn)每一缸的曲柄銷在和軸瓦接觸的同一位置均有一個(gè)氣蝕點(diǎn)，大小約15x15mm，最深處約0.2mm，氣蝕點(diǎn)距離曲柄銷大約12厘米；在曲柄銷中間位置有連續(xù)的淺拉痕。每個(gè)連桿大端軸瓦都有較嚴(yán)重的磨損及氣蝕，下瓦的表面金屬層已大部分磨損脫落。曲軸及連桿瓦氣蝕點(diǎn)如下圖所示：

2號(hào)柴油機(jī)曲柄銷氣蝕點(diǎn) 連桿大端軸瓦氣蝕點(diǎn)

經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)：每缸出現(xiàn)氣蝕點(diǎn)的位置基本相同，氣蝕點(diǎn)距離曲柄銷大約12厘米，最寬處約15mm，最深點(diǎn)約下沉0.2mm，除此之外，各曲柄銷的圓度、圓柱度均正常，沒有其他異常磨損。

3.原因分析

該柴油機(jī)僅運(yùn)行了13320小時(shí)，每缸曲柄銷上都出現(xiàn)氣蝕點(diǎn)，這是不同尋常的現(xiàn)象，對(duì)此，我們分析如下：

柴油機(jī)工作時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力在不斷變化，就產(chǎn)生了不穩(wěn)定載荷，使曲軸的軸頸在徑向迅速通過工作行程時(shí)，其后面間隙擴(kuò)大，在這較短的時(shí)間內(nèi)，附近的油流不能迅速加以補(bǔ)充，形成了真空。隨后潤(rùn)滑油進(jìn)入真空區(qū)，便會(huì)形成空泡，且迅速破滅，造成了對(duì)曲軸和軸瓦表面起破壞作用的沖擊波，產(chǎn)生氣蝕破壞。同時(shí)由于不穩(wěn)定載荷使曲軸上的載荷產(chǎn)生波動(dòng)，載荷波動(dòng)的頻率和幅度對(duì)氣蝕的產(chǎn)生有著較大的影響，頻率波動(dòng)越高，波動(dòng)幅度越大，就越容易產(chǎn)生氣蝕。

曲軸的曲柄銷上有進(jìn)出油孔，以便潤(rùn)滑軸頸和連桿大端軸承，當(dāng)有壓力的潤(rùn)滑油通過油孔時(shí)，油流被油孔邊緣迅速地切斷，油流因慣性作用而繼續(xù)流動(dòng)，在切斷處產(chǎn)生真空，形成空泡；通過油的回流或偏離1800油孔位置時(shí)又開始供油，重新建立的壓力使空泡破滅，形成了對(duì)曲軸和軸瓦表面的沖擊破壞作用。這種真空程度越高，生成的空泡越大，破滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊速度就越快，破壞性也就越強(qiáng)。

該柴油機(jī)作為起重工程船上的發(fā)電原動(dòng)機(jī)，為起重機(jī)等設(shè)備提供電力，由于工程船使用上的特殊性，經(jīng)常處于空車或長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，而且負(fù)荷突變頻繁。這些都會(huì)造成柴油機(jī)工況不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致曲軸和軸瓦中滑油壓力波動(dòng)。當(dāng)軸瓦中某一局部滑油壓力降低時(shí)，溶解其中的氣體就可能析出形成氣泡，這些氣泡受到曲柄銷和連桿瓦的擠壓作用而破滅，周圍的液體以極高的速度沖向氣泡，產(chǎn)生高壓沖擊波，形成氣蝕。如此長(zhǎng)期反復(fù)作用，從而在曲柄銷和連桿瓦表面某一集中區(qū)域形成金屬疲勞剝落。

拆出的2號(hào)柴油機(jī)連桿大端下瓦在中間油孔旁邊有2個(gè)明顯的氣蝕點(diǎn)，這個(gè)位置和曲柄銷氣蝕點(diǎn)的位置剛好重合。根據(jù)曲柄銷及軸瓦氣蝕點(diǎn)重合時(shí)的位置分析，應(yīng)該是在下死點(diǎn)前的某個(gè)角度。2號(hào)柴油機(jī)拆出的連桿大端下瓦在中間部位沒有油孔或油槽，軸瓦的兩端都有多個(gè)油孔，軸瓦兩端的油孔不相貫通。工況變化時(shí)，在曲柄銷和連桿瓦的某一局部區(qū)域，滑油來不及及時(shí)補(bǔ)充，出現(xiàn)局部負(fù)壓面而產(chǎn)生氣泡，并且順著滑油流動(dòng)方向，軸瓦末端附近區(qū)域是滑油流體特性最差區(qū)域，容易出現(xiàn)負(fù)壓，因而最容易產(chǎn)生氣蝕。

注意到柴油機(jī)廠家提供的隨機(jī)備件中柴油機(jī)連桿大端下瓦結(jié)構(gòu)與我們拆出的連桿大端下瓦有所不同，新的下瓦油槽貫穿整個(gè)軸瓦。

這應(yīng)該是柴油機(jī)廠家已經(jīng)注意到該型柴油機(jī)軸瓦存在的問題而做出改進(jìn)。

綜上所述，我們認(rèn)為這個(gè)氣蝕點(diǎn)應(yīng)該是因?yàn)?號(hào)機(jī)軸瓦的結(jié)構(gòu)造成的，而發(fā)生氣蝕的時(shí)刻應(yīng)該是作功沖程末排氣閥提前打開的時(shí)刻。

4.處理措施

考慮到各曲柄銷的圓度、圓柱度均正常，沒有其他異常磨損，氣蝕點(diǎn)范圍不大，我們首先對(duì)每一缸曲柄銷上的氣蝕點(diǎn)，盡可能地用各種適合的油石和砂布慢慢打磨，去除粗糙的表面，恢復(fù)其光滑度。為避免應(yīng)力集中，氣蝕點(diǎn)和曲柄銷的分界面打磨成圓弧過渡，拋光氣蝕點(diǎn)口邊，使其獲得光滑的圓弧過渡。隨后我們對(duì)修整過的曲軸進(jìn)行磁粉探傷，在反復(fù)多次探傷確認(rèn)沒有隱藏的裂紋后，結(jié)束對(duì)曲軸的修理。

整機(jī)大修結(jié)束后，我們?cè)囓?0分鐘后打開道口蓋檢查曲柄連桿機(jī)構(gòu)正常，裝復(fù)道口蓋再次試車2小時(shí)，無異常，加載使用100小時(shí)候，我們?cè)俨饳z連桿大端軸瓦，軸瓦、曲柄銷正常。該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入正常使用。

5.后續(xù)機(jī)器的檢修情況

隨后又對(duì)該船4號(hào)柴油機(jī)進(jìn)行大修，大修過程中卻沒有發(fā)現(xiàn)和2號(hào)柴油機(jī)同樣的故障現(xiàn)象。2號(hào)和4號(hào)柴油機(jī)的機(jī)型一樣，平時(shí)管理、維護(hù)保養(yǎng)、運(yùn)行時(shí)間以及運(yùn)行工況都基本相同，唯一不同的是兩臺(tái)機(jī)連桿大端軸瓦的下瓦在結(jié)構(gòu)上有點(diǎn)不一樣，2號(hào)柴油機(jī)的連桿大端下瓦在徑向的中間部位沒有油孔或油槽，4號(hào)機(jī)連桿大端下瓦卻采用的是改進(jìn)型的軸瓦，其油槽貫穿整個(gè)軸瓦。連桿大端軸瓦結(jié)構(gòu)形式不一樣，拆檢的結(jié)果也完全不同。這也從側(cè)面印證了我們的分析是正確的。

6.結(jié)束語(yǔ)

柴油機(jī)在生產(chǎn)過程中肯定會(huì)不斷地改進(jìn)和完善，一個(gè)開拓進(jìn)取和負(fù)責(zé)任設(shè)備商肯定不會(huì)隱瞞自己設(shè)備存在的缺點(diǎn)，而且也也會(huì)采取有效的改進(jìn)措施。作為最終用戶，我們希望設(shè)備商能及時(shí)通知用戶相關(guān)改進(jìn)信息和管理舉措。只有設(shè)備商和最終用戶同心協(xié)力才能更好地發(fā)揮設(shè)備的效能。

參考文獻(xiàn)

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[2]《內(nèi)燃機(jī)配件》2005.