劉建良，朱群偉，溫燕星

(1.海裝廣州局，廣東 廣州 520020；2.湛江海濱船廠，廣東 湛江 524005)

某型柴油機(jī)在維修過程中多次出現(xiàn)過連桿瓦及曲柄銷異常磨損的故障。本文主要對該型柴油機(jī)在試機(jī)磨合過程中發(fā)生的故障進(jìn)行詳細(xì)分析，并針對如何避免類似故障再次發(fā)生提出幾點(diǎn)看法。

1 故障現(xiàn)象

某型推進(jìn)柴油機(jī)按照試驗(yàn)大綱完成系泊試驗(yàn)后，依計(jì)劃出港進(jìn)行航行試驗(yàn)。該柴油機(jī)分別以450 r/min、520 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行磨合試驗(yàn)，2種工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間均為1 h，隨后加速到560 r/min。在此過程中，主機(jī)各項(xiàng)參數(shù)及試驗(yàn)情況均正常。

柴油機(jī)在560 r/min工況下運(yùn)轉(zhuǎn)10 min時(shí)，參試人員發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)B排出現(xiàn)間歇性輕微敲缸，分析可能是噴油器滴油引起后燃燒或是修后共振轉(zhuǎn)速改變導(dǎo)致氣缸敲擊，需進(jìn)一步觀察。560 r/min工況下運(yùn)轉(zhuǎn)30 min后，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升至650 r/min，B排仍存在輕微敲缸，現(xiàn)場客戶代表立即要求停機(jī)檢查。

2 故障后柴油機(jī)拆檢情況

2.1 試航時(shí)拆檢情況

柴油機(jī)停機(jī)后，對該柴油機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場拆檢，情況如下：①拆檢曲軸箱旁蓋，A5、B5缸曲軸箱內(nèi)有大量金屬碎屑；②拆檢A5、B5缸，連桿瓦已嚴(yán)重磨損，白合金層全部剝落，鋼體被壓扁外露約15 mm并卷邊，瓦背有明顯的周向磨痕；曲柄銷嚴(yán)重磨損，中間有明顯凸肩；③拆檢噴油器，發(fā)現(xiàn)B5缸噴油器噴嘴有滴油現(xiàn)象；④拆檢滑油濾器，發(fā)現(xiàn)磁性濾器附著有大量金屬碎屑。

2.2 返港后拆檢情況

返港后對該柴油機(jī)進(jìn)行全面拆檢，情況如下。

1) 對A5、B5缸的曲柄銷進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)磨損最嚴(yán)重部位約磨去2.2 mm；對曲柄銷進(jìn)行磁粉探傷檢測，發(fā)現(xiàn)其表面有20余條縱向裂紋，最短的約10 mm，最長的貫穿整個(gè)曲柄銷。

2) 對A5、B5缸連桿進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)連桿大端齒面正常，大端軸窩有明顯的周向磨痕，大端軸窩超標(biāo)。

3) A5、B5缸連桿瓦受損嚴(yán)重，已無法看清軸瓦上的鋼印?，F(xiàn)場檢查其他缸連桿瓦安裝情況，發(fā)現(xiàn)A1、A2、A4、A6缸連桿瓦存在上下瓦對接不平齊情況，最大不平齊量約0.30 mm(說明書要求不得超過0.50 mm)；拆檢其余10缸的連桿瓦，發(fā)現(xiàn)除A2、B4缸軸瓦白合金有局部磨痕外，其他8缸完好。

4) 檢查A5、B5缸活塞，發(fā)現(xiàn)裙部有拉痕，活塞環(huán)外觀良好；檢測A5、B5活塞銷，其外觀和尺寸正常。

5) 檢查A5、B5缸氣缸套，其內(nèi)壁有拉痕。

3 故障原因分析

根據(jù)該柴油機(jī)A5缸和B5缸連桿瓦白合金層完全損壞剝落、曲柄銷軸徑磨損的故障現(xiàn)象，認(rèn)為故障的直接原因是A5、B5缸其中一個(gè)的連桿瓦與曲柄銷局部發(fā)生干摩擦，或摩擦產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)傳遞，連桿瓦白合金燒熔并與曲柄銷黏滯磨損，或定位唇被磨損，導(dǎo)致軸瓦走外圓。同時(shí)，軸瓦外圓干摩擦產(chǎn)生的高溫達(dá)到金屬的塑性變形點(diǎn)后，在周期性的燃燒爆發(fā)壓力和曲軸甩力下，軸瓦被擠扁，邊緣受到曲柄臂的阻擋而卷邊。

A5、B5缸連桿瓦處于同一道曲軸銷，其中一個(gè)發(fā)生故障，壓扁的軸瓦擠壓另一缸連桿，另一缸連桿也發(fā)生同樣的故障。軸瓦走外圓，間歇性地封堵了供往活塞的滑油，使活塞發(fā)生拉缸。

初步判斷導(dǎo)致A5、B5缸連桿瓦及曲柄銷異常磨損的原因，有以下幾方面可能。

1)異常顆粒進(jìn)入連桿瓦，導(dǎo)致潤滑不良。濾器后的滑油系統(tǒng)管道有異常顆粒，啟動滑油系統(tǒng)，顆粒進(jìn)入曲軸，流進(jìn)主軸瓦和連桿瓦等摩擦副，由于摩擦副間隙小，接連發(fā)生磨粒磨損和黏著磨損，繼而發(fā)生故障。

檢查其余的10缸連桿瓦，除A2、B4缸軸瓦白合金有局部磨痕外，其他8缸完好，無明顯的磨粒拉痕，說明潤滑油的品質(zhì)良好及濾器正常。因此，基本排除了異常顆粒進(jìn)入連桿瓦的因素。

2)連桿瓦安裝不良，導(dǎo)致曲柄銷與連桿瓦運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)沖擊或者導(dǎo)致潤滑不良。

檢查修理記錄，連桿瓦與曲柄銷的配合間隙、曲柄銷和連桿瓦內(nèi)孔的圓度、安裝時(shí)螺栓的緊固力、上下瓦對接等數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。故障后檢查各缸連桿緊固螺栓刻度記號無位移，說明螺栓的預(yù)緊力符合要求，無松動現(xiàn)象；連桿上下瓦對齊偏差未超過0.50 mm，故排除連桿瓦安裝不良的因素。

3)連桿平行度、扭曲度超標(biāo)。連桿大端軸承中線與連桿小頭襯套中線的平行度、扭曲度超標(biāo)，導(dǎo)致活塞在氣缸中不是直線運(yùn)動而是歪斜運(yùn)動，活塞受力通過連桿無法作用在曲柄銷中線上，使連桿瓦局部受力，且在高負(fù)荷下潤滑不良，容易發(fā)生異常磨損故障。

檢查活塞連桿的修理記錄，平行度、扭曲度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，排除了連桿平行度、扭曲度超標(biāo)的因素。

4) 連桿瓦瓦背與連桿瓦座孔貼合不良。曲軸不同旋轉(zhuǎn)角度下的曲柄銷示意圖如圖1所示，曲軸不同旋轉(zhuǎn)角度下的連桿瓦與曲柄銷相對運(yùn)動示意圖如圖2所示。曲軸在-90°→90°之間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為柴油機(jī)的排氣沖程，曲柄銷推動活塞連桿組向上運(yùn)動，曲柄銷與連桿瓦上瓦接觸；曲軸在90°→270°之間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為吸氣沖程，曲柄銷推動活塞連桿組向下運(yùn)動，曲柄銷與連桿瓦下瓦接觸；曲軸在270°→450°之間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為壓縮沖程，曲柄銷克服氣缸內(nèi)的壓縮壓力帶動活塞連桿組向上運(yùn)動，曲柄銷與連桿瓦上瓦接觸；曲軸在450°→630°(-90°)之間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為膨脹沖程，活塞連桿組受燃?xì)鈮毫ψ饔?，推動曲柄銷旋轉(zhuǎn)，曲柄銷與連桿瓦上瓦接觸。

圖1 曲軸不同旋轉(zhuǎn)角度下的曲柄銷示意圖

圖2 曲軸不同旋轉(zhuǎn)角度下的連桿瓦與曲柄銷相對運(yùn)動示意圖

根據(jù)上述分析，在一個(gè)工作周期內(nèi)，曲柄銷與連桿瓦上瓦接觸時(shí)間占用了3/4。根據(jù)圖1、圖2，在柴油機(jī)壓縮沖程和膨脹沖程中，曲柄銷與連桿瓦上瓦受力最大，摩擦產(chǎn)生的熱量也集中，特別是曲柄銷旋轉(zhuǎn)至上止點(diǎn)時(shí)，此時(shí)曲柄銷滑油孔口離連桿瓦上瓦頂部最遠(yuǎn)，曲柄銷與連桿瓦上瓦貼合，形成的間隙小，油膜最薄，摩擦系數(shù)最大。

曲柄銷與連桿瓦摩擦產(chǎn)生的熱量，主要通過滑油對流和軸瓦、連桿大端與空氣對流散走。在柴油機(jī)壓縮沖程和膨脹沖程之間，以及在活塞上止點(diǎn)，曲柄銷與連桿瓦摩擦產(chǎn)生的熱量無法有效通過滑油對流散走，故連桿瓦與連桿瓦座孔的貼合面積將影響兩者摩擦熱量能否有效傳遞出去。

因連桿瓦是薄壁軸瓦，軸瓦外徑尺寸比軸瓦座孔內(nèi)徑尺寸輕微偏大，才能保證軸瓦在座孔內(nèi)不易松脫，但薄壁鋼片容易受力變形，使連桿瓦與連桿瓦座孔貼合度不良。該柴油機(jī)首次修理時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)所有連桿瓦、主軸瓦瓦背部均存在不同程度的摩擦、腐蝕發(fā)暗痕跡，大部分軸瓦背部滲入滑油，積碳面積超過75%，且分布不均勻。當(dāng)時(shí)認(rèn)定故障可能原因是軸瓦瓦背與軸承座孔貼合不良，主機(jī)運(yùn)行時(shí)軸瓦會產(chǎn)生微量變形，其與結(jié)合面之間產(chǎn)生微量間隙，使滑油滲入瓦背與結(jié)合面之間，運(yùn)動產(chǎn)生的熱量散發(fā)受阻，在高溫環(huán)境下引起發(fā)黑和微動磨損。

因該柴油機(jī)連桿瓦巴氏合金劃痕、瓦背發(fā)黑等原因，本次修理全部換為原裝進(jìn)口的新軸瓦。裝配過程中按工藝要求對連桿軸窩的內(nèi)孔尺寸進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；對軸瓦與軸窩貼合情況進(jìn)行著色檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，但不排除個(gè)別軸瓦按工藝上緊后，連桿瓦發(fā)生了變形，導(dǎo)致連桿瓦瓦背脫離軸瓦座孔。若個(gè)別軸瓦張口尺寸稍微偏差，與軸瓦座孔過盈度不足，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中連桿瓦發(fā)生竄動，與曲柄銷配合間隙發(fā)生變化，滑油流量減小，破壞了油膜層，造成干摩擦，引起連桿瓦鍍層局部脫落，進(jìn)一步導(dǎo)致連桿瓦與曲柄銷嚴(yán)重磨損，發(fā)生故障。

綜上所述，該柴油機(jī)A5或B5缸連桿瓦與曲柄銷異常磨損的主要原因是連桿瓦與連桿瓦座孔在動態(tài)運(yùn)行環(huán)境下貼合不良。

4 避免故障發(fā)生的措施

1)重新識別關(guān)鍵工序列入檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行控制?？蛻舸頇C(jī)構(gòu)和承修單位要根據(jù)所承接修理的裝備現(xiàn)階段使用情況以及前期同型設(shè)備發(fā)生的故障情況，重新對修理過程中的關(guān)鍵工序進(jìn)行識別，并將關(guān)鍵工序列入到檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行嚴(yán)格控制，消除修理過程中可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。針對該型柴油機(jī)：①檢測所有連桿軸窩的加工精度，確保尺寸、圓度等符合要求，并列為關(guān)鍵工序/檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行控制；②檢查連桿瓦與座孔貼合情況是否符合要求，并列為關(guān)鍵工序/檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行控制；③按力矩要求擰緊連桿螺栓，檢查上下瓦對齊偏差是否符合要求，并列為關(guān)鍵工序/檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行控制。

2)辯證合理把握標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的不合理?xiàng)l款。近年來，多數(shù)裝備的零部件逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，在國產(chǎn)化的過程中或因裝備型號逐漸改進(jìn)，部分零部件原設(shè)計(jì)狀態(tài)發(fā)生了變更，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及技術(shù)資料未能及時(shí)更新。此時(shí)則需加強(qiáng)與原生產(chǎn)廠家和相關(guān)技術(shù)責(zé)任單位的溝通，綜合各方意見，明確要求。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中要求該型柴油機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速為950 r/min、時(shí)間為30 min的空載試驗(yàn)，并盡可能進(jìn)一步進(jìn)行轉(zhuǎn)速為1 050 r/min、時(shí)間為20 min的空載試驗(yàn)。由于該型柴油機(jī)連桿瓦為薄壁瓦，柴油機(jī)在高速低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)連桿瓦會產(chǎn)生高頻振動，不利于軸瓦與軸窩的貼合，易發(fā)生故障。在與柴油機(jī)廠家就空載試驗(yàn)程序溝通探討后，明確了柴油機(jī)磨合試驗(yàn)程序中不宜采用過高轉(zhuǎn)速，空載試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速應(yīng)為800 r/min、時(shí)間為30 min。

3)完善修理工藝，對維修人員進(jìn)行工藝交底。同樣的，隨著裝備零部件國產(chǎn)化以及裝備型號的逐漸改進(jìn)，施工要素和施工要求也在不斷變化，承修單位要通過各方渠道不斷完善修理工藝。此外，修船廠維修人員老齡化，技術(shù)能力也相對較為薄弱，要加強(qiáng)對施工人員的工藝交底培訓(xùn)學(xué)習(xí)，破除惟“經(jīng)驗(yàn)論”的做法，提高職工的技術(shù)水平。同時(shí)要加強(qiáng)對修理過程中維修記錄的檢查，促使維修人員嚴(yán)格按照修理工藝進(jìn)行施工。

4)提高維修人員工作責(zé)任心和風(fēng)險(xiǎn)分析能力。承修單位要對職工(特別是施工人員)進(jìn)行經(jīng)常性工作質(zhì)量、安全意識的教育，提高職工的工作責(zé)任心和風(fēng)險(xiǎn)分析能力。