陳 予，張厚維，劉 徽，葉天文，肖 杰，譚 斌，陳 濤，蘆永凱

（1.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武昌南機(jī)務(wù)段，湖北武漢 430064；2.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司機(jī)務(wù)部，湖北武漢 430071）

1 部件失效情況

DF7C5414機(jī)車柴油機(jī)在磨合試驗(yàn)中，油壓油溫正常、軸瓦潤滑狀態(tài)良好。進(jìn)入全負(fù)荷期1000 r/min 運(yùn)行3.5 min，柴油機(jī)自由端油封蓋冒煙。分解柴油機(jī)，自由端油封蓋與曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸磨損，A6 缸（以下簡稱“A6”）、B6 缸（以下簡稱“B6”）連桿瓦失效。

1.1 軸頸失效

A6 連桿頸主承載區(qū)發(fā)黑、發(fā)藍(lán)，表現(xiàn)出明顯的摩擦特征，A6 軸頸磨損情況比B6 嚴(yán)重（圖1）。A6 主磨損區(qū)，軸徑Ф194.32～194.40 mm（曲軸連桿軸頸）。

圖1 A6—B6 缸連桿頸磨損

1.2 A6 上瓦失效

（1）上瓦主負(fù)荷區(qū)磨損，急劇聚熱高溫形貌，瓦背發(fā)黑面過半，失效軸瓦厚度3.80～3.63 mm（原瓦5.05 mm）（圖2）。軸瓦間在高速高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，合金面金屬物質(zhì)被快速銷磨（圖3）。下瓦合金面磨損，磨損量及過熱程度小于上瓦，且A6 下瓦背與大端孔座接觸狀態(tài)良好（圖4）。

圖2 A6 上瓦背過熱

圖3 A6 上瓦合金面磨損

圖4 A6 下瓦失效情況

（2）甄別確認(rèn)連桿及軸瓦全部測量組裝數(shù)據(jù)，符合規(guī)定技術(shù)要求。柴油機(jī)經(jīng)空載負(fù)荷各階段磨合，軸瓦已具備相關(guān)屬性性能，連桿檢修及軸瓦組裝各項(xiàng)工藝工序得到檢驗(yàn)。

（3）失效主要表象是上、下瓦內(nèi)圓合金與軸頸磨擦，合金物質(zhì)被快速磨掉脫落直接成為磨屑。高溫傳導(dǎo)使瓦背受熱發(fā)黑，原因是瓦與軸頸處半干油膜或無油膜零游隙，且柴油機(jī)高速全載荷。

（4）失效類型為直接接觸磨損。

1.3 B6 軸瓦失效

（1）B6 上、下瓦失效情況勻好于A6，但上、下瓦背面勻有過熱發(fā)黃現(xiàn)象（圖5）。

圖5 B6 上、下瓦背面

（2）受A6 上瓦高熱傳導(dǎo)輻射，B6 上瓦合金面膨漲，游隙變小，靠近A6 側(cè)上瓦部分，過熱量大于另側(cè)。這部分合金先發(fā)生熱疲勞引發(fā)裂紋，少量剝離，游隙變小，合金面進(jìn)入半干摩擦，化錫合金面剝離失效。熱量快速傳導(dǎo)下瓦，引發(fā)合金面熱疲勞剝離，脫落物質(zhì)參入碾磨損合金面（圖6）。

圖6 B6 上瓦和下瓦失效

（3）失效類型為合金熱疲勞，剝離失效。

2 故障分析

2.1 接觸磨損特征[1]

（1）瓦軸間游隙、油膜變小或瞬間為零，由液體摩擦迅速轉(zhuǎn)變軸瓦間接觸摩擦，高溫使合金面膨漲或化錫剝落，增大接觸磨損面積及強(qiáng)度。如果A6 磨損面高熱發(fā)黑，軸瓦主承載區(qū)與軸頸將直接急劇摩擦（圖7），高溫傳導(dǎo)瓦背及大端孔聚熱，會(huì)殃及下瓦。高熱輻射傳導(dǎo)給B6 軸瓦，引發(fā)B6 軸瓦失效（圖8）。

圖7 A6 上瓦形貌

圖8 B6 上瓦形貌

（2）合金面表面特征：合金面磨損痕跡突出，瓦面快速受熱化錫，合金剝離。

（3）對(duì)比背面熱量分布，A6 背面發(fā)黑面大于B6 背面。原因是A6 軸瓦受熱高于B6、A6 上瓦磨損重于B6，所以A6 先于B6軸瓦失效。

2.2 自由端油封蓋磨損

（1）柴油機(jī)進(jìn)入全負(fù)荷約3.5 min，自由端油封蓋冒煙，觀察油封蓋摩擦程度，靠柴油機(jī)右側(cè)磨損量比左側(cè)深0.2～0.15 mm，說明運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲軸向右偏擺（圖9）。

圖9 磨損痕跡

（2）曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸磨擦油封蓋，軸頸深溝磨痕，發(fā)黑發(fā)藍(lán)，屬瞬間劇烈摩擦（圖10）。

圖10 曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸磨損

（3）蓋座孔內(nèi)右側(cè)半圓區(qū)磨損明顯，磨損部位對(duì)應(yīng)曲軸45°、135°轉(zhuǎn)角。傳動(dòng)齒輪軸頸與油封蓋最下點(diǎn)磨損痕跡，對(duì)應(yīng)A6—B6連桿頸下止點(diǎn)轉(zhuǎn)角。曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，發(fā)生偏甩現(xiàn)象，A6—B6 連桿頸運(yùn)轉(zhuǎn)相位與傳動(dòng)齒輪軸頸磨損部位同步。傳動(dòng)齒輪軸頸處最下點(diǎn)正是A5—B5 連桿頸處正爆發(fā)做功，動(dòng)能最大。曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸在最下點(diǎn)與油封蓋互磨，與A6—B6 連桿頸做功無關(guān)聯(lián)（圖11）。

圖11 連桿旋轉(zhuǎn)相位

3 故障突出特征

3.1 油封蓋故障情況

油封蓋右側(cè)磨損角度正對(duì)應(yīng)連桿頸，A6—B6 上瓦受力承載由上始點(diǎn)向下始點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間區(qū)段，此時(shí)曲軸連桿頸軸線向右偏甩，A6 上瓦處重載區(qū)，連桿頸軸瓦間游隙最小，A6上瓦被迫與軸頸發(fā)生接觸磨損，瓦與軸頸發(fā)生接觸性摩擦快速失效。

3.2 異常外力作用

觀察第一位主軸瓦，發(fā)現(xiàn)下瓦外側(cè)邊緣有徑向條帶狀痕跡寬8.4 mm、長2/5 圓周（圖12）。曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸（硅油減振）自由磨損部位，與A6、B6 下止點(diǎn)同角度。此時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角A6、B6 不能產(chǎn)生向下最大動(dòng)能[2]。主軸瓦沒有接受垂直徑向載荷客觀條件，不能對(duì)下瓦邊緣產(chǎn)生掃磨。只有曲軸系受外力作用才能使曲軸自由端下沉，使軸瓦邊緣區(qū)低游隙狀態(tài)，制造邊緣痕跡。

圖12 軸瓦外邊緣痕跡

觀察其他6 位主軸瓦上下瓦潤滑狀態(tài)良好。說明傳動(dòng)齒輪軸頸與油封蓋相磨，是受自由端外加力系作用，柴油機(jī)升降速時(shí)，軸系統(tǒng)振動(dòng)偏甩幅值與A6—B6 連桿頸振動(dòng)峰值同步。

3.3 曲軸連接部件情況

測量曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸法蘭端面，端面水平跳動(dòng)量0.16～0.3 mm 曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸法蘭面，在高速重載運(yùn)轉(zhuǎn)中受外力扭曲變形。拆檢曲軸硅油減振器全面檢查各部件狀態(tài)良好，符合規(guī)定技術(shù)要求。

這再次證明曲軸系統(tǒng)受外部附加力系作用發(fā)生偏甩現(xiàn)象。

4 偏甩危害

當(dāng)A6 缸正爆發(fā)下行時(shí)，曲軸連桿頸軸線右偏，A6 缸上瓦磨損起始，軸瓦間游隙迅速減小，上瓦主承載區(qū)直接與軸頸半干或干摩擦，磨損失效。瓦背聚熱高熱，說明是直接接觸磨損。另外，曲軸被扯拽向下偏甩過限，傳動(dòng)齒輪軸頸與油封端蓋相互磨損。

4.1 偏甩原因分析

（1）曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸法蘭相連自由端長傳動(dòng)軸，曲軸傳動(dòng)齒輪法蘭端面扭曲變形，長傳動(dòng)軸偏甩是策源點(diǎn)。長傳動(dòng)軸長1574 mm。高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)慣性量，A6 運(yùn)轉(zhuǎn)做功時(shí)，上瓦與軸頸間游隙被擠占掉，軸瓦磨損性失效。故障后，測量A6 大端孔其合口B—B 方向直徑為Ф205.15 mm，比Ф205.05 mm 增大0.10 mm，超限中修限度0.04 mm[3]。A6 連桿大端孔運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，合口水平方向受載荷作用過大，大端孔出現(xiàn)較大橢圓度超限。

（2）柴油機(jī)快速加載至1000 r/min，傳動(dòng)軸花鍵套與花鍵軸間有短時(shí)沖擊跳動(dòng)偏甩。曲軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，自由端曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸被牽扯下沉磨損油封蓋最下部。

（3）曲軸硅油減振器系統(tǒng)，各部件角速度相等，線速度最大，徑向離心慣性力最大，長軸偏甩動(dòng)能傳硅油減振器中心區(qū)域角速度向量被放大，與線速度相近連桿頸同頻偏甩，即A6—B6 連桿頸首位響應(yīng)，磨損軸瓦。

5 故障梳理歸納

（1）長軸跳動(dòng)量大，高速高載時(shí)，偏甩幅值與A6—B6 連桿頸同步，偏甩擠占游隙，上瓦與軸頸接觸互磨失效，危害B6，進(jìn)而引發(fā)軸瓦失效。

（2）故障發(fā)生后，更換上備品柴油機(jī)，啟機(jī)磨合負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，同樣全負(fù)荷轉(zhuǎn)速1000 r/min 時(shí)，柴油機(jī)再次復(fù)制故障原版本。曲軸傳動(dòng)齒輪軸頸磨損油封蓋，A5—B5 連桿瓦軸頸失效。

（3）拆檢長傳動(dòng)軸測量花鍵與鍵套側(cè)隙為1.7～1.9 mm。查閱連桿瓦異常失效故障案例，DF43220機(jī)車因牽引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸偏甩，第15 缸連桿瓦嚴(yán)重失效。DF40486機(jī)車NPT5 空氣壓縮機(jī)，因電機(jī)軸跳動(dòng)量大偏甩，連桿瓦異常失效。這兩例均為外軸偏甩同振引發(fā)連桿瓦失效。

（4）2020 年10 月中修D(zhuǎn)F7機(jī)車460C#第1 位連桿頸嚴(yán)重磨損失效，對(duì)應(yīng)外部連接傳動(dòng)軸多部件失效，振動(dòng)偏甩嚴(yán)重。

（5）主要原因推定：柴油機(jī)高速重載時(shí)，長軸偏甩，引發(fā)軸瓦接觸性磨損失效故障。

（6）更換新柴油機(jī)，且修復(fù)調(diào)整長軸優(yōu)化安裝后，柴油機(jī)啟機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)順利通過。

6 改進(jìn)措施

（1）長軸動(dòng)平衡試驗(yàn)，靜態(tài)跳動(dòng)量測量，符合規(guī)定技術(shù)要求。

（2）長傳動(dòng)軸安裝，執(zhí)行設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

7 結(jié)論

通過故障分析，認(rèn)識(shí)柴油機(jī)系統(tǒng)相關(guān)部件的每個(gè)部件非單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)部件相互關(guān)聯(lián)影響，每個(gè)環(huán)節(jié)事關(guān)全部整體。長軸檢修執(zhí)行工藝標(biāo)準(zhǔn)后，車上裝配執(zhí)行各項(xiàng)技術(shù)要求，解決了此類系統(tǒng)故障。