船舶柴油機(jī)連桿故障分析

張亮亮　劉衛(wèi)勇

摘 要：連桿作為船舶柴油機(jī)的主要傳力機(jī)構(gòu)，主在機(jī)械動(dòng)作運(yùn)行過(guò)程中，收到往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力及自身汽缸壓力的多重因素制約，導(dǎo)致連桿在船舶柴油機(jī)中經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷及疲勞載荷的影響，很容易在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生可靠性差、疲勞斷裂的現(xiàn)狀，從而造成了較為嚴(yán)重的后果。鑒于此，筆者為了保障柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以船舶柴油機(jī)中的連桿為具體研究對(duì)象，對(duì)其故障產(chǎn)生的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出造成船舶柴油機(jī)故障的多重因素，從而提出相應(yīng)的對(duì)策，這在很大程度上有利于保障船舶柴油機(jī)連桿的穩(wěn)定性，增強(qiáng)對(duì)于螺栓的保障效應(yīng)，使得性能柴油機(jī)的性能發(fā)揮到最佳程度。

關(guān)鍵詞：船舶柴油機(jī)；連桿；斷裂；原因

中圖分類號(hào)：U672 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）13-0047-02

船舶柴油機(jī)作為船舶裝置的動(dòng)力系統(tǒng)，在機(jī)械組件中扮演著重要的角色。連桿作為傳力機(jī)構(gòu)，主要將船舶柴油機(jī)活塞內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)模式通過(guò)傳力機(jī)構(gòu)傳遞至曲軸層面，從而對(duì)外部進(jìn)行做功。連桿在機(jī)械動(dòng)作運(yùn)行過(guò)程中，收到往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力及自身汽缸壓力的多重因素制約，導(dǎo)致連桿在船舶柴油機(jī)中經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷及疲勞載荷的影響，很容易在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生可靠性差、疲勞斷裂的現(xiàn)狀，從而造成了較為嚴(yán)重的后果。筆者基于調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)目前連桿斷裂是船舶柴油機(jī)故障產(chǎn)生的重要影響因素，因此為了保障柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本文以船舶柴油機(jī)中的連桿為具體研究對(duì)象，對(duì)其故障產(chǎn)生的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從而提出相應(yīng)的對(duì)策，這在很大程度上有利于保障船舶柴油機(jī)連桿的穩(wěn)定性，增強(qiáng)對(duì)于螺栓的保障效應(yīng)，使得性能柴油機(jī)的性能發(fā)揮到最佳程度。

1 船舶柴油機(jī)連桿故障的現(xiàn)象分析

筆者結(jié)合自身的經(jīng)歷對(duì)船舶柴油機(jī)的連桿故障進(jìn)行系統(tǒng)分析。具體船舶柴油機(jī)的型號(hào)為HYUNDAI-MANB&W6S70MC;，轉(zhuǎn)速為每分鐘700轉(zhuǎn)，結(jié)合本人對(duì)該柴油機(jī)的實(shí)習(xí)經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)，該柴油機(jī)在大約連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后連桿在大端位置出產(chǎn)生疲勞斷裂，內(nèi)部曲軸箱連續(xù)發(fā)出異常聲音運(yùn)轉(zhuǎn)，在整體過(guò)程中出現(xiàn)明顯的金屬撞擊聲音，并且這一聲音循序漸進(jìn)，呈現(xiàn)逐步增強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)增壓器經(jīng)過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)后產(chǎn)生超速運(yùn)行的狀況，當(dāng)時(shí)輪機(jī)操作員立即對(duì)機(jī)器進(jìn)行斷電處理，啟動(dòng)備用的發(fā)電裝置，機(jī)艙機(jī)械維修人員對(duì)船舶柴油機(jī)進(jìn)行故障檢查，發(fā)現(xiàn)整個(gè)氣缸套已經(jīng)破碎，連桿的連接部位產(chǎn)生不規(guī)則的裂縫，碎片在內(nèi)部呈現(xiàn)散狀分布，斷裂部分的連桿與船舶柴油機(jī)整機(jī)及曲軸進(jìn)行相互裝置，最終導(dǎo)致整套連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生功能性故障。

2 船舶柴油機(jī)連桿故障的成因探討

筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)船舶柴油機(jī)出現(xiàn)的連桿故障并非偶然性，而是在周期性規(guī)律中的一回而已。造成本次船舶柴油機(jī)連桿產(chǎn)生的故障原因主要是源于連桿自身斷裂在缸體的轉(zhuǎn)動(dòng)下產(chǎn)生撞擊從而導(dǎo)致產(chǎn)生缸體故障，失去了設(shè)計(jì)的原本功能。結(jié)合設(shè)備負(fù)責(zé)的輪機(jī)人員反饋，該船舶柴油機(jī)嚴(yán)格按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，船舶柴油機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油充足，各個(gè)部件之間無(wú)摩擦產(chǎn)生故障的痕跡，各個(gè)部件的潤(rùn)滑特性良好，油底位置沒(méi)有產(chǎn)生銅末現(xiàn)象；角接觸球軸承無(wú)咬死及明顯的竄動(dòng)現(xiàn)象；增壓器運(yùn)行正常；船舶柴油機(jī)活塞與缸體的表面十分光潔等，通過(guò)對(duì)上述影響船舶柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的因素分析，發(fā)現(xiàn)造成故障的原因可以排除潤(rùn)滑不足及油水質(zhì)量問(wèn)題[1]。

基于對(duì)船舶柴油機(jī)的連桿進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)斷裂的連桿外形口處符合疲勞斷裂的形式。斷裂的位置主要呈現(xiàn)出放射狀的分布形式，并且逐步朝向內(nèi)部進(jìn)行延伸，最終導(dǎo)致連桿部位發(fā)生斷裂，引發(fā)了船舶柴油機(jī)的運(yùn)行故障。為了對(duì)船舶柴油機(jī)的連桿故障進(jìn)行深入分析，給出了研究的連桿結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

筆者經(jīng)過(guò)對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)造成連桿出現(xiàn)故障的原因主要呈現(xiàn)在五個(gè)層面[2]。

2.1 載荷受力不均勻

連桿連接處的螺栓承受載荷不均勻所致。力矩過(guò)大在很多程度上導(dǎo)致連桿的運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)了自身材料所具有的屈服極限強(qiáng)度，導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲變形現(xiàn)象，在載荷的有效沖擊模式下，發(fā)生了斷裂狀況。如果連桿連接處螺栓的預(yù)緊力不足，則容易導(dǎo)致船舶柴油機(jī)在整體運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，容易導(dǎo)致在連接面處產(chǎn)生連接縫隙的現(xiàn)象，螺栓受到船舶產(chǎn)生的沖擊力影響導(dǎo)致產(chǎn)生斷裂狀況。

2.2 維護(hù)保養(yǎng)方式缺乏科學(xué)性

基于調(diào)研發(fā)現(xiàn)在使用過(guò)程中維修保養(yǎng)的方式不科學(xué)也是導(dǎo)致問(wèn)題出現(xiàn)的主要根源。在對(duì)船舶柴油機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)時(shí)，缺乏對(duì)于螺栓的檢驗(yàn)，由于船舶柴油機(jī)經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷的影響，因此在進(jìn)行維護(hù)時(shí)必須擦用扭力扳手對(duì)螺栓的受力進(jìn)行分析，但是目前的工作過(guò)程中，工作人員對(duì)連接螺栓地方的預(yù)緊力缺乏研究，從而使得穩(wěn)定性缺乏缺乏理論支撐，產(chǎn)生一系列的失效反應(yīng)。

2.3 工藝處理不合理

針對(duì)于柴油機(jī)連桿而言，其工藝不合理主要體現(xiàn)在裝配及熱處理等兩個(gè)層面。連桿在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于作為主要的傳力部件，需要對(duì)其材料及熱處理的特性嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)人員的要求進(jìn)行，但是根據(jù)筆者的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，船舶柴油機(jī)在連桿在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，缺乏專業(yè)設(shè)備對(duì)材料的特性及熱處理的功效進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)裝配時(shí)缺乏裝配作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的指引，導(dǎo)致連桿在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。如船舶柴油機(jī)內(nèi)部的活塞銷整體運(yùn)行質(zhì)量較差，在連接處容易差生裂紋，同時(shí)由于加工公差的超差導(dǎo)致活塞銷經(jīng)常產(chǎn)生軸向竄動(dòng)的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致連桿發(fā)生斷裂。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)裝配不合理

連桿組件現(xiàn)場(chǎng)安裝錯(cuò)誤。安裝過(guò)程中連桿螺栓與大端無(wú)法進(jìn)行緊固處理，導(dǎo)致在具體裝配過(guò)程中產(chǎn)生連桿面連接松動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而發(fā)生柴油機(jī)在具體運(yùn)行過(guò)程中由于連桿蓋的松動(dòng)導(dǎo)致連接螺栓位置發(fā)生斷裂現(xiàn)象。此外，在具體裝配過(guò)程中，由于連桿螺栓在安裝過(guò)程中存在裂口及劃傷的現(xiàn)象，導(dǎo)致螺母與螺栓無(wú)法進(jìn)行預(yù)緊，造成連桿螺栓的直接失效。

2.5 “燒死”現(xiàn)象

活塞在缸體內(nèi)部運(yùn)行中產(chǎn)生“燒死”現(xiàn)象。船舶柴油機(jī)在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于活塞在氣缸內(nèi)部出現(xiàn)故障容易產(chǎn)生“飛車(chē)”現(xiàn)象，導(dǎo)致連桿螺栓經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)大出現(xiàn)斷裂的狀況。

3 預(yù)防船舶柴油機(jī)連桿故障的對(duì)策建議

筆者基于自身的工作經(jīng)歷，通過(guò)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)船舶柴油機(jī)在運(yùn)行期間出現(xiàn)的連桿故障是多因素作用的結(jié)果。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生故障的因素主要與螺栓受載不均勻、活塞“燒死”、維護(hù)不合理及安裝不正確等所致，鑒于此，為了在后續(xù)對(duì)船舶柴油機(jī)的連桿故障進(jìn)行消除，筆者從下述幾個(gè)層面提出預(yù)防性的措施，從而保障船舶柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提升工作效率，降低運(yùn)維成本[3-5]。

3.1 提升沖擊載荷

螺栓是船舶柴油機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的主要連接部件，承載著沖擊載荷。在時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，只有增強(qiáng)螺栓的連接緊固性，建立裝配常態(tài)化監(jiān)控的嚴(yán)格作業(yè)制度，在進(jìn)行柴油機(jī)緊固件整體裝配之前，盡可能排除存在的安全隱患。采用對(duì)螺栓進(jìn)行可靠性及功能性實(shí)驗(yàn)，確保運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定。在船舶柴油機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)時(shí)，應(yīng)采用橡皮錘來(lái)敲打螺栓，根據(jù)發(fā)生的聲音來(lái)判斷螺栓是否產(chǎn)生疲勞運(yùn)轉(zhuǎn)的缺陷，尤其是針對(duì)螺栓頂部與螺紋的連接位置處，如果產(chǎn)生細(xì)微的聲音變化則很容易導(dǎo)致產(chǎn)生故障，因此對(duì)于螺栓的質(zhì)量嚴(yán)格把控是確保可實(shí)現(xiàn)配套生產(chǎn)的第一步。

3.2 科學(xué)合理設(shè)計(jì)

螺栓頭部、螺母及軸承等的接觸要確保符合設(shè)計(jì)要求。軸承空的加工應(yīng)按照現(xiàn)代量具來(lái)進(jìn)行位置及行為公差的測(cè)定，同時(shí)對(duì)于加工毛刺等也應(yīng)進(jìn)行檢查，安裝軸承完畢后，采用專用工裝來(lái)檢測(cè)軸向的竄動(dòng)量；螺栓孔及螺栓的配合間隙應(yīng)按照設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行控制，不能進(jìn)行過(guò)緊的“傳統(tǒng)思維”操作，定位銷要進(jìn)行調(diào)整，否則會(huì)產(chǎn)生直接磨損的現(xiàn)象，連接桿按照拆卸的順序進(jìn)行操作，確保各個(gè)組建應(yīng)按照制定的順序確保，確保軸承表面及墊片應(yīng)保持清潔，接觸面實(shí)現(xiàn)緊密貼合。

3.3 螺栓放松處理

采取螺栓防松措施，正確的固緊與鎖緊是避免發(fā)生斷裂的有效措施。擰緊后的螺栓要有防松措施，科學(xué)的防松措施是依賴螺紋的自鎖能力，因此在高速柴油機(jī)上采用細(xì)牙螺紋，減小導(dǎo)程角，使導(dǎo)程角遠(yuǎn)小于摩擦角，對(duì)螺紋部分鍍銅，以增加螺紋間的貼合度及摩擦系數(shù)，提高防松效果。目前在一些新產(chǎn)品中不采取任何防松措施，而是靠提高細(xì)牙螺紋的精度，確保預(yù)緊力來(lái)達(dá)到防松目的。實(shí)踐表明，正確的固緊與鎖緊是避免發(fā)生斷裂的有效措施。在高速柴油機(jī)上采用細(xì)牙螺紋，減小導(dǎo)程角，使導(dǎo)程角遠(yuǎn)小于摩擦角，對(duì)螺紋部分鍍銅，以增加螺紋間的貼合度及摩擦系數(shù)，提高防松效果.目前在一些新產(chǎn)品中不采取任何防松措施，而是靠提高細(xì)牙螺紋的精度，確保預(yù)緊力來(lái)達(dá)到防松目的。

3.4 嚴(yán)格執(zhí)行說(shuō)明需求

眾多案例證實(shí)，柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生重大安全事故，其中螺栓在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的斷裂至造成的主要原因，究其根源發(fā)現(xiàn)是裝配上對(duì)于螺栓上的失誤導(dǎo)致。螺栓作為緊固件，機(jī)械設(shè)計(jì)上已經(jīng)給出了明確的安裝要求及具體的安裝方法，針對(duì)重要部位的螺栓應(yīng)采用扭力扳手，按照標(biāo)定的數(shù)值進(jìn)行安裝。在進(jìn)行螺栓安裝時(shí)，必須嚴(yán)格按照?qǐng)D示的安裝順序進(jìn)行安裝，保障在拆卸及安裝過(guò)程中不得出現(xiàn)二次安裝、螺絲、錯(cuò)位安裝等現(xiàn)象；墊片在進(jìn)行安裝時(shí)保證安裝面的正確性；按照設(shè)計(jì)型號(hào)來(lái)進(jìn)行安裝，不得采用違背于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的安裝方式；螺栓要嚴(yán)格采用正規(guī)廠商提供的，基于國(guó)標(biāo)的貨物。除此之外，針對(duì)于多沖程的柴油機(jī)而言，要確保整體使用壽命控制在相應(yīng)的時(shí)間壽命范疇之內(nèi)，超出則需要進(jìn)行更新。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)型號(hào)為HYUNDAI-MANB&W6S70MC;的船舶柴油機(jī)的連桿故障事故進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為導(dǎo)致連桿產(chǎn)生直接斷裂的原因主要是由于螺紋預(yù)緊力不足、維護(hù)時(shí)缺乏對(duì)螺紋預(yù)緊力的檢查、拉缸或咬缸現(xiàn)象頻繁、加工公差不匹配、裝配缺乏指導(dǎo)文件等多因素的結(jié)果導(dǎo)致連桿在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生故障，因此為堅(jiān)決防止此類事故的頻繁發(fā)生，在裝配過(guò)程及操作體系中應(yīng)嚴(yán)格按照船舶柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)范來(lái)進(jìn)行保護(hù)，最大程度的保障船舶柴油機(jī)的安全有效。

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