某柴油機連桿大端軸瓦失效分析

某柴油機為直列八缸四沖程，單機2 600 kW,該機技術成熟，性能安全可靠。從2004年出廠使用至今，已經運行近5萬h，首次出現軸瓦損壞剝落現象，軸瓦及曲柄銷損壞的部分情況，如圖1、圖2所示。

圖1 連桿大端上軸瓦局部剝落

圖2 曲柄銷表面產生凸輪效應區

1 連桿大端軸瓦的潤滑方式

連桿大端軸瓦的潤滑方式采用液體動壓潤滑，動壓潤滑是由摩擦表面的幾何形狀相對運動，借助液體的動力作用，形成楔形液膜并產生油楔壓力以平衡外載荷，在正常運轉時，只要供油連續，軸頸就會被由潤滑油動力作用而產生的油楔抬起，同時在軸承和軸頸之間形成一定的偏心度，軸頸所受負荷由油楔中產生的油壓所平衡，動壓潤滑原理示意圖如圖3所示。

圖3 動壓潤滑原理示意圖

本船使用的是下軸瓦帶油槽的連桿大端軸瓦，由圖3知，此時軸瓦的受力最高點由正中間移到兩側。 四沖程柴油機的連桿有時是拉應力，有時是壓應力，交替變換。在活塞從上止點(TDC)向下運動的吸氣沖程，連桿的下軸瓦受力，其他3個沖程(壓縮、做功、排氣)都是上軸瓦受力，所以上軸瓦的疲勞強度要大于下軸瓦。而且由于活塞的運動速度是變化的，這就導致往復慣性力的存在，從TDC到下止點(BDC)的過程中，前半行程是加速運動，慣性力向上，后半行程是減速運動，慣性力向下，慣性力使曲柄連桿機構各部件和所有軸承承受周期性的附加載荷，而且慣性力方向交替變化，導致對軸瓦的沖擊較大，加快軸承磨損。

2 連桿大端軸瓦的失效分析

由于連桿大端軸瓦的下軸瓦是帶油槽的，而磨損的卻是對應的上軸瓦，從常規理論分析可能的原因如下。

1)穴蝕，有些表面生成小孔或部分合金層脫落，多發生在油壓變化較大時。

2)腐蝕，滑油中含有酸性物質，在軸瓦上產生化學反應，導致合金層脫落。

3)熱疲勞，在這種情況下，鋁錫合金層將會熔化，與銅分離。

因為脫落的合金層并非整個軸瓦面，而是類似于一條環帶，所以以上幾點基本都可以排除。而且一般的測量儀器難以測出曲柄銷的磨損尺寸變化，基本變化很小，所以容易被忽視，具體分析如下。

1)曲柄銷在TDC時，此時吸氣沖程開始，活塞向下運動，連桿大端的下軸瓦受力，機油中的堅固懸浮顆粒物導致曲柄銷(油槽兩側)嚴重磨損，從而產生凸輪效應區(在下軸瓦油槽所對應的區域曲柄銷凸起)，如圖4所示。

圖4 在TDC狀態下，連桿大端下軸瓦受力面

2)曲柄銷在BDC(壓縮、做功、排氣沖程)時，活塞往上運動，上軸瓦受力，連桿大端的上軸瓦與曲柄銷的接觸面只有凸輪效應區，因為面積較小，這將導致應力過于集中，其后果是軸瓦的變形和合金層的脫落，如圖5所示。

圖5 在BDC狀態下，連桿大端上軸瓦受力面

由此，連桿大端上軸瓦損壞的整個路徑為下軸瓦先磨損，產生凸輪效應區，再磨損上軸瓦。

綜上所述，軸瓦的磨損脫落是由于機油過臟，顆粒物過多引起的，而且顆粒物過多會延長慣性沖擊的時間，更加劇了軸瓦的損壞。

3 檢驗凸輪效應

1)著色檢查。用新的軸瓦涂蘭油與曲柄銷面接觸的方法，觀察著色狀況，就可以看出曲柄銷的磨損狀況。

2)透光檢查。 用一把雙側直角尺靠在曲柄銷上，一側用光源照射，看看對側是否有光線露出，就可以粗略判定曲柄銷的狀況。

3)用樹脂材料涂在曲柄銷表面，再將樹脂取下，通過實驗室設備對樹脂表面進行分析，可以得到精確的曲柄銷表面的幾何參數。

4 故障處理的方法

一旦發生上述軸瓦損壞嚴重的現象，更換軸瓦不是解決問題的根本，因為若中間凸起的環帶不消除，軸瓦的中間部分受力，很快就會造成新的軸瓦繼續磨損和鍍層合金脫落，所以必須對曲柄銷進行打磨處理，消除凸輪環帶。前面分析已經提到之所以出現此類現象歸根結底是機油的問題，所以我們要時刻關注所使用的機油。經常對使用的機油進行分離處理，保持機油的品質；定期按照說明書的要求保養設備，防止外界臟污物進入系統；根據運轉時間定期取油樣化驗，時刻關注機油的狀況。

此次找到了軸瓦磨損的根本原因，并進行了處理，慶幸的是曲柄銷磨損不嚴重，只需做表面處理。輪機管理人員平時要特別關注機油的理化指標，以便達到更好地維護設備的目的。

(中海油田服務股份有限公司船舶事業部

湛江作業公司，蘇玉馬 供稿)