某柴油機(jī)連桿大端軸瓦失效分析

某柴油機(jī)為直列八缸四沖程，單機(jī)2 600 kW,該機(jī)技術(shù)成熟，性能安全可靠。從2004年出廠使用至今，已經(jīng)運(yùn)行近5萬h，首次出現(xiàn)軸瓦損壞剝落現(xiàn)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(chǎn)生凸輪效應(yīng)區(qū)

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(yùn)動，借助液體的動力作用，形成楔形液膜并產(chǎn)生油楔壓力以平衡外載荷，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，只要供油連續(xù)，軸頸就會被由潤滑油動力作用而產(chǎn)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(fù)荷由油楔中產(chǎn)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(diǎn)由正中間移到兩側(cè)。 四沖程柴油機(jī)的連桿有時是拉應(yīng)力，有時是壓應(yīng)力，交替變換。在活塞從上止點(diǎn)(TDC)向下運(yùn)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(qiáng)度要大于下軸瓦。而且由于活塞的運(yùn)動速度是變化的，這就導(dǎo)致往復(fù)慣性力的存在，從TDC到下止點(diǎn)(BDC)的過程中，前半行程是加速運(yùn)動，慣性力向上，后半行程是減速運(yùn)動，慣性力向下，慣性力使曲柄連桿機(jī)構(gòu)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(dǎo)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(yīng)的上軸瓦，從常規(guī)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(fā)生在油壓變化較大時。

2)腐蝕，滑油中含有酸性物質(zhì)，在軸瓦上產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)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?yàn)槊撀涞暮辖饘硬⒎钦麄€軸瓦面，而是類似于一條環(huán)帶，所以以上幾點(diǎn)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(yùn)動，連桿大端的下軸瓦受力，機(jī)油中的堅固懸浮顆粒物導(dǎo)致曲柄銷(油槽兩側(cè))嚴(yán)重磨損，從而產(chǎn)生凸輪效應(yīng)區(qū)(在下軸瓦油槽所對應(yīng)的區(qū)域曲柄銷凸起)，如圖4所示。

圖4 在TDC狀態(tài)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(yùn)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(yīng)區(qū)，因?yàn)槊娣e較小，這將導(dǎo)致應(yīng)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(tài)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(chǎn)生凸輪效應(yīng)區(qū)，再磨損上軸瓦。

綜上所述，軸瓦的磨損脫落是由于機(jī)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(yàn)凸輪效應(yīng)

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(cè)直角尺靠在曲柄銷上，一側(cè)用光源照射，看看對側(cè)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(shí)驗(yàn)室設(shè)備對樹脂表面進(jìn)行分析，可以得到精確的曲柄銷表面的幾何參數(shù)。

4 故障處理的方法

一旦發(fā)生上述軸瓦損壞嚴(yán)重的現(xiàn)象，更換軸瓦不是解決問題的根本，因?yàn)槿糁虚g凸起的環(huán)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(xù)磨損和鍍層合金脫落，所以必須對曲柄銷進(jìn)行打磨處理，消除凸輪環(huán)帶。前面分析已經(jīng)提到之所以出現(xiàn)此類現(xiàn)象歸根結(jié)底是機(jī)油的問題，所以我們要時刻關(guān)注所使用的機(jī)油。經(jīng)常對使用的機(jī)油進(jìn)行分離處理，保持機(jī)油的品質(zhì)；定期按照說明書的要求保養(yǎng)設(shè)備，防止外界臟污物進(jìn)入系統(tǒng)；根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)時間定期取油樣化驗(yàn)，時刻關(guān)注機(jī)油的狀況。

此次找到了軸瓦磨損的根本原因，并進(jìn)行了處理，慶幸的是曲柄銷磨損不嚴(yán)重，只需做表面處理。輪機(jī)管理人員平時要特別關(guān)注機(jī)油的理化指標(biāo)，以便達(dá)到更好地維護(hù)設(shè)備的目的。

(中海油田服務(wù)股份有限公司船舶事業(yè)部

湛江作業(yè)公司，蘇玉馬 供稿)