船用柴油機曲軸的斷裂原因與處理探討

摘要：在船用柴油機中，曲軸是重要的零部件之一，可以將柴油機每個缸所做的功聚集在一起，再以回轉運動的方式傳遞出去。但在實際應用過程中，曲軸也存在著發生斷裂的風險，會對船舶的正常運行和船員的生命安全造成威脅。基于此，本文分析了船用柴油機曲軸發生斷裂的原因，并針對預防柴油機曲軸斷裂的有效措施進行探討。

關鍵詞：船用柴油機;曲軸;斷裂原因;處理

中圖分類號：U664.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0176-02

0 ?引言

曲軸發生斷裂或其他不同程度的損壞，會對柴油機的正常運行造成重大影響，從而危及到船舶的航行安全，并造成巨大的經濟損失。所以當事故發生時應及時找到事故發生的原因，并采取針對性措施做好預防。

1 ?曲軸斷裂的部位和實例斷面分析

曲軸平時的工作條件比較惡劣，需要承受多種周期性變化的壓力，比如離心力、慣性力矩和氣體壓力等，并且承受的荷載較大，應力比較集中，在實際工作過程中還會出現摩擦情況，因此對曲軸的材質、加工工藝、表面粗糙度等都有較高的要求，如果其中某一個環節出現問題，都會對曲軸的整體質量造成嚴重影響。一般情況下當彎曲作用力施加到曲軸上面時，應力都會集中在曲柄臂、曲柄銷和圓角部位，使得這些部位的強度降低，所以需要在曲柄臂和曲柄銷連接的部位設置過渡的圓弧，以此來降低集中的應力[1]。圖1是一張船用柴油機曲軸斷裂的實拍照片，通過照片可以看出曲臂發生了斷裂。如果曲軸一開始出現了裂紋，當曲軸在高速旋轉時裂紋就會出現張合現象，經過長時間的反復摩擦，裂紋擴張到一定程度后就會發生斷裂，使得斷面的上部則比較粗糙，通過研究可以看出變形比較嚴重的部位是曲軸的中心線部位，這種情況下就會產生彎曲交變應力，一旦曲軸超負荷運行，突破了曲軸材料的承受能力，就會出現曲軸斷裂的情況，并且斷裂現象是在比較短的時間內發生。

2 ?船用柴油機曲軸斷裂的原因

長期遭受彎曲和扭轉的復合應力引起材料“疲勞”是曲軸出現斷裂的主要原因。船用柴油機曲軸斷裂的具體原因有多種，可以概括為以下幾個方面：①材料自身質量問題，比如有大量氣孔存在于內部，雜質含量較高等，從而引起曲軸斷裂，但曲軸在出廠之前都需要經過嚴格的檢測，所以此種原因導致曲軸斷裂的情況不太常見。此外，曲軸鋼材料不具備比較好的致密度，會導致在進行熱處理的過程中出現開裂現象，所以需要選擇熱工藝優良的鋼材料。②機座變形一般情況下是由船體變形面引起，使得曲軸中心線超出了相應的誤差標準范圍，最后導致曲軸發生斷裂。此種原因引起的曲軸斷裂現象在實際工作過程中比較常見，所以是引起曲軸斷裂的主要原因之一。③曲軸中心線和船舶軸系中心線之間的連接誤差超出相關標準要求，也會導致曲軸發生斷裂，并且在運行過程中也經常出現[2]。④曲軸表面裂紋引起曲軸斷裂，疲勞裂紋的產生到疲勞脆性斷裂的過程需要的時間非常短，在預防檢查工作中極難發現，這種情況在船用柴油機中出現的次數極少。⑤主軸承長時間使用產生了較大的磨損，而且磨損情況沒有規律，導致曲軸出現斷裂現象。因為小型柴油機軸承價格較低，其更換過程也比較簡單，并且曲軸中心線受到主軸承磨損的影響較小，產生的附加彎曲交變應力很難達到可以讓曲軸斷裂的程度，所以此種原因造成的斷裂情況也比較少見。⑥曲軸平衡塊的安裝工作不到位，在安裝過程中沒有嚴格遵循相關要求標準，導致安裝時出現錯位現象，讓曲軸的平衡性遭到破壞，需要承受巨大的慣性力。設有平衡軸的柴油機，平衡軸的主要作用就是控制和調節運動過程中產生的慣性力，平衡軸的正常運行是通過齒輪驅動實現，如果在安裝齒輪的過程中出現問題，就會加大柴油機的振動，對曲軸造成巨大的沖擊，從而導致曲軸疲勞折斷。

3 ?船用柴油機曲軸斷裂的預防措施

3.1 因船體變形引起曲軸斷裂的預防措施

如果柴油機的缸徑較小，就不需要考慮曲軸臂之間的距離，并且測量的條件也得不到滿足，曲軸中心線誤差超出標準后不容易被發現，尤其是缸直徑超出150毫米的小型柴油機，具有較長的曲軸，由于缺乏相應的測量方法，導致曲軸臂距差的測量工作無法進行，并且船體也不是在短時間內發生變形，而是隨著時間的推進慢慢出現變形現象，因此很難及時發現，從而導致柴油機的曲軸發生斷裂。如果想要有效預防曲軸斷裂，就要分析研究船體變形的前兆，通過研究小型柴油機曲軸斷裂實例，發現可以從以下幾個方面來判斷船體是否存在變形的風險。

第一，缸套數據測量異常：新缸套內徑數值都在一個合理的范圍內，但當它們運行一段時間后，活塞會產生一個橫向側推力，對缸套造成一定影響，導致缸套出現不同程度的磨損情況，通過長時間觀察可以發現磨損現象大部分都是橫向的。在船體還沒有開始變形時，缸套會受到磨損的影響使得橫向尺寸變大，縱向尺寸基本保持不變。如果船體出現了較大的變形情況時，測量數據是缸套的橫向尺寸基本沒有變化，而縱向尺寸增大。基于此，輪機工作人員就可以將缸套尺寸變化情況作為判斷船體是否發生變形的重要依據[3]。第二，加大了吊缸套的難度。在缸套還未發生變形時，由于磨損的影響使得內徑變成橢圓形狀，而缸套的外徑仍然是圓形，缸套上的橡膠水密封圈、缸套與機體之間的摩擦會產生一定阻力，如果橡膠水密封圈變大，將其破壞掉就可以很輕松的吊出缸套，當船體變形時也會導致缸套變形，這個時候就會讓吊缸套操作變得十分困難。因此，可以通過吊缸套的難度來判斷船體是否變形。第三，在實際運行的過程中，活塞在環槽中容易出現卡死的情況，一旦船體發生變形問題后，會在一定程度上改變缸套的尺寸，尤其是對于新缸套來說受到的影響更大，會導致缸套的橫向或縱向尺寸變小，同時還會影響到缸套和活塞之間的空隙大小，在柴油機正常運行的過程中，活塞受到加熱就會逐漸膨脹變大，當達到一定程度后就會在環槽內卡死。所以，在對船體變形情況進行判斷時，還能夠將活塞異常卡死現象作為判斷的依據。

3.2 船舶軸系中心線和曲軸中心線的連接誤差引起曲軸斷裂

針對這種原因導致的曲軸斷裂情況，可以定期對軸系和主機之間的連接誤差進行檢查，并做好記錄工作，如果發現誤差超出標準范圍，就需要根據實際情況進行全面分析，找到出現誤差的原因，如果輪機工作人員找不到曲軸斷裂的原因，面對這種情況束手無策時，就應該交由船廠進行處理。在船舶進行修理的過程中，船廠應對三線進行核對，當修理工作完成之后，輪機工作人員還要反復檢測維修結果，并將問題原因以及維修內容做好記錄，嚴格控制軸系中心線偏差，保證符合相關要求標準。

3.3 合理使用熱處理技術

對曲軸表面進行強化處理是曲軸熱處理技術的重要環節，通常情況下，可以利用正火對球墨鑄鐵曲軸進行處理，為表面處理工作打下基礎，感應淬火或氮化工藝是進行表面強化處理的常用方法。在熱處理過程中，應保證不出現差錯，如果淬火冷卻時間較短，就會有大量的上貝體和鐵素體組織產生，從而對曲軸自身的強度和硬度造成嚴重影響，導致韌度下降，在后續的使用過程中就容易發生斷裂現象。

3.4 保證曲軸鑄鍛毛坯質量

曲軸自身的強度和硬度會受到曲軸鑄鍛毛坯自身質量的影響，在對毛坯進行鑄鍛的過程中需要注意以下幾個方面：第一，需要確保鑄件結構簡化，模斜度具有一定的科學性及合理性，嚴格控制分型面數量。第二，將鑄造圓度控制在合理范圍內，確保不會有棱角出現。第三，根據實際需要嚴格控制鑄件臂的厚度，確保厚度保持均勻，符合相關要求標準。第四，強肋的自身厚度以及分布情況要合理，防止在冷卻的過程中鑄件出現裂紋或變形的情況。因為曲軸自身的強度與毛坯質量有直接關系，如果強度達不到要求就容易發生裂紋，最后導致曲軸出現斷裂問題。因此，應嚴格按照相關規定要求開展毛坯鑄鍛工作，為曲軸質量打下堅實的基礎。

3.5 做好曲軸潤滑處理

通常情況下，曲軸的斷裂并不是在一瞬間發生的，而是由于斷裂之前出現了裂紋情況，然后裂紋經過慢慢發展最后才導致曲軸斷裂，所以在正常運行過程中需要加強對裂紋的重視，采取有效措施預防裂紋的產生。潤滑條件不足是出現裂紋的主要原因，比如潤滑劑質量不達標、潤滑劑老化和潤滑劑受到污染等，這些情況都會對潤滑劑的質量和使用效果產生影響，導致潤滑條件惡化，從而使得曲軸各個零部件之間的摩擦加劇，最后導致裂紋的產生。因此，應選擇質量較好的潤滑劑，確保潤滑劑的作用可以得到充分發揮，有效防止裂紋現象的發生。

3.6 柴油機大修檢測，加強日常管理

柴油機在較長時間的使用之后，需要定期開展維修保養工作，在對柴油機進行維修保養的過程中，輪機工作人員應加強對裂紋現象的重視，對曲軸表面進行全面檢查，不放過任何一個可疑的地方，一旦發現曲軸出現裂紋就要對其進行更換。做好曲軸的清潔工作，對主軸頸和曲柄銷頸圓度進行測量，如果測量結果不符合相關要求標準，就要更換曲軸。曲軸彎曲塑性變形檢測工作需要在平板上面進行，在檢測過程中還要開展校正作業，全面檢查和測量主軸承和曲柄銷軸承，如發現異常及時處理。在日常管理工作中，應嚴格按照柴油機的保養規定開展工作，定期開展曲軸和軸承的全面檢查工作，仔細觀察它們的運行情況，一旦發現存在異常情況就需要及時采取有效措施予以解決，并在輪機日志中記錄下來。還要全面檢查主機、齒輪箱和軸承等螺絲松緊度，確保不會出現螺絲松動的情況。注意查看軸系振動情況，如發現振動異常應找到原因并及時處理，嚴格控制柴油機的工作時間，避免出現超負荷運行。

4 ?結語

柴油機具有諸多優點，與其他熱機比較來說具有很好的實際應用優勢，自從面世以來就得到了廣泛的應用，極大的推動了航海事業的發展。柴油機曲軸工作質量能夠對柴油機的正常運行造成直接影響，如果曲軸發生斷裂會導致船舶無法正常航行，并且嚴重威脅到全體船員的生命安全。因此，在日常運行過程中應加強對曲軸的管理和維護，定期開展曲軸的全面檢查工作，采取有效措施提升柴油機的使用壽命，為船舶的安全航行奠定堅實的基礎，從而促進我國航海事業的健康穩定發展。

參考文獻：

[1]陳鑫，王云飛，張洋，等.某六缸柴油機曲軸連桿頸斷裂失效分析[J].內燃機，2019（1）：29-31，36.

[2]蘇展望，趙同賓，趙建平，等.雙向深割過渡圓角對提高曲軸主軸頸疲勞強度的研究[J].柴油機，2020（3）：17-23，44.

[3]閻心怡，崔毅，付艷，等.基于動力學潤滑耦合的低速二沖程船用柴油機機座剛度匹配設計[J].船舶工程，2019（9）：60-66.

作者簡介：馮立文（1973-），男，廣西北海人，壯族，工程師，研究方向為船用柴油機的修理。