L21/31柴油機(jī)故障案例分析

王寧濤

（海軍駐廣州廣船公司軍事代表室，廣州 510382）

1 概述

某船的國(guó)產(chǎn)L21/31柴油機(jī)3#機(jī)在給全船系泊試驗(yàn)供電過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)氣缸蓋有異響。經(jīng)拆檢，發(fā)現(xiàn)3#機(jī)組的4#、8#缸的排氣側(cè)閥橋?qū)U斷裂，氣閥轉(zhuǎn)帽損壞。對(duì)4臺(tái)機(jī)組全部氣缸蓋進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)多個(gè)氣缸蓋中的閥橋?qū)U斷裂，斷裂部位均發(fā)生在閥橋?qū)U與氣缸蓋安裝面下1mm～2mm處；同時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)氣缸蓋中的氣閥轉(zhuǎn)帽損壞，損壞形式均為碟形彈簧斷裂。截至故障發(fā)生時(shí)，1#機(jī)組運(yùn)行138h、2#機(jī)組運(yùn)行134h、3#機(jī)組運(yùn)行111h、4#機(jī)組運(yùn)行63h。

故障發(fā)生后，立即從氣缸蓋組件加工與裝配工藝、氣閥閥橋組件受力有限元計(jì)算、閥橋?qū)U材質(zhì)與熱處理工藝、閥橋?qū)U斷裂與氣閥轉(zhuǎn)帽損壞的邏輯關(guān)系四個(gè)方面對(duì)該L21/31柴油機(jī)的故障原因進(jìn)行了較為深入全面的分析，同步完成了L21/31柴油機(jī)氣缸蓋加工工藝與組件裝配工藝的自查，還取得了L21/31柴油機(jī)專利方（德國(guó)MAN公司）和氣閥轉(zhuǎn)帽供應(yīng)方（韓國(guó)STX公司）對(duì)閥橋?qū)U斷裂和氣閥轉(zhuǎn)帽損壞原因的分析意見(jiàn)。最后，柴油機(jī)總裝廠完成了L21/31柴油機(jī)全部氣缸蓋組件的更換和整機(jī)恢復(fù)工作。

2 故障原因分析及整改措施

1）加工和裝配工藝方面的自查

(1)針對(duì)L21/31 氣缸蓋組件加工工藝開展檢查

重點(diǎn)圍繞著氣缸蓋閥橋?qū)U安裝孔的垂直度與位置度、閥橋?qū)U的加工、閥橋體內(nèi)孔的加工精度和搖臂的加工進(jìn)行了重點(diǎn)分析和成品檢查。

經(jīng)過(guò)工藝過(guò)程的自查和實(shí)測(cè)檢查，由于均有相應(yīng)的成熟工藝驗(yàn)證，并有專用非標(biāo)刀具和數(shù)控設(shè)備的保證，氣缸蓋閥橋?qū)U安裝孔的加工，閥橋?qū)U、閥橋體和搖臂的加工均符合專利方的圖紙要求。

（2）同時(shí)還進(jìn)行了L21/31氣缸蓋裝配工藝的檢查，重點(diǎn)是圍繞L21/31發(fā)電機(jī)組氣閥間隙調(diào)整工藝的可操作性。通過(guò)對(duì)裝配工藝自查，裝機(jī)的閥橋機(jī)構(gòu)的裝配工藝和調(diào)整工藝符合專利方的要求。

氣閥機(jī)構(gòu)調(diào)整工藝通過(guò)三個(gè)版本的更新，目前采用的版本中對(duì)閥橋體的調(diào)整采用了紅丹粉來(lái)檢查，工藝可行，易于操作。

2）氣閥閥橋組件動(dòng)力學(xué)受力分析

關(guān)于L21/31 柴油機(jī)閥橋?qū)U出現(xiàn)的斷裂問(wèn)題，根據(jù)斷口掃描電鏡觀察結(jié)果，其斷裂性質(zhì)屬于疲勞斷裂，說(shuō)明在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中作用在閥橋?qū)U上有附加的交變應(yīng)力。根據(jù)對(duì)閥橋機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算和分析，通過(guò)合理簡(jiǎn)化建模，選擇三個(gè)臨界狀態(tài)進(jìn)行了有限元的計(jì)算和分析[1][2]。

根據(jù)閥橋?qū)U的機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)形狀、表面質(zhì)量來(lái)判斷，材料的疲勞極限值約為500N/mm2～700N/mm2。通過(guò)有限元分析可以看出，在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，對(duì)于進(jìn)氣閥側(cè)和排氣閥側(cè)的閥橋?qū)U，分別在調(diào)節(jié)側(cè)氣閥開啟瞬間，在調(diào)節(jié)側(cè)約束處存在最大拉應(yīng)力，而在非調(diào)節(jié)側(cè)氣閥開啟瞬間，在調(diào)節(jié)側(cè)約束處存在最大壓應(yīng)力（如圖），說(shuō)明作用在閥橋?qū)U上的應(yīng)力大小及方向隨柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不斷交替變化。該交替變化的應(yīng)力是引起閥橋?qū)U斷裂的主要原因，而引起交替變化的應(yīng)力主要是由于閥橋體的調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整不正確，詳情具如圖1～4所示。

圖1 排氣閥側(cè)閥橋?qū)U調(diào)節(jié)側(cè)根部左側(cè)拉應(yīng)力分析圖（878MPa）

圖2 排氣閥側(cè)閥橋?qū)U調(diào)節(jié)側(cè)根部左側(cè)壓應(yīng)力分析圖（655MPa）

圖3 進(jìn)氣閥閥橋?qū)U調(diào)節(jié)側(cè)根部左側(cè)拉應(yīng)力分析圖（478MPa）

圖4 進(jìn)氣閥閥橋?qū)U調(diào)節(jié)側(cè)根部左側(cè)壓應(yīng)力分析圖（393MPa）

3）氣閥閥橋組件材料與熱處理工藝分析

通過(guò)對(duì)閥橋體、閥橋?qū)U，搖臂材料的分析，以及結(jié)合對(duì)不同批次的材料的化學(xué)分析和強(qiáng)度的試驗(yàn)和驗(yàn)證，目前的閥橋體、閥橋?qū)U和搖臂的性能和化學(xué)成分，以及熱處理的工藝要求都符合圖紙要求。

在與專利技術(shù)符合性方面，選用的材料在化學(xué)成分與機(jī)械性能方面和許可證方的材料相近。

4）閥橋?qū)U斷裂與氣閥轉(zhuǎn)帽損壞的邏輯關(guān)系

通過(guò)對(duì)閥橋?qū)U的相關(guān)分析計(jì)算，在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于閥橋體兩側(cè)高度差的存在，作用在閥橋?qū)U上相應(yīng)的交變應(yīng)力就會(huì)大于閥橋?qū)U的疲勞極限，從而引起閥橋?qū)U的疲勞斷裂。氣閥轉(zhuǎn)帽的損壞表現(xiàn)為轉(zhuǎn)帽內(nèi)彈簧片的損壞，從某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)彈簧片損壞斷口的掃描電鏡宏/微觀分析來(lái)看，該斷面具有明顯的疲勞破壞特征，屬于典型的疲勞破壞。總體上斷口較為平整。可以看到疲勞裂紋源區(qū)位于鋼球壓槽的背面位置；在鋼球壓槽位置，可以看到存在疲勞裂紋擴(kuò)展的情況；在彈簧片靠近內(nèi)圈區(qū)域，存在相互擠壓及擦傷所留下的塑性變形痕跡。由此分析，在柴油運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)帽彈簧片斷裂損壞主要是由轉(zhuǎn)帽內(nèi)鋼球作用在彈簧片上過(guò)大的交變應(yīng)力所引起。由于閥橋體上與兩個(gè)氣閥接觸處存在高度差，導(dǎo)致兩個(gè)氣閥開閉出現(xiàn)時(shí)間差，從而在閥橋?qū)U產(chǎn)生了附加的交變應(yīng)力作用，使得閥橋?qū)U在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生彎曲撓度。在正常狀態(tài)下，閥橋與兩個(gè)氣閥上端面同時(shí)接觸，兩個(gè)接觸面具有較好的平面度和與運(yùn)動(dòng)軸線的垂直度，所以作用在氣閥上端面上的力是均勻分布的。但當(dāng)調(diào)整出現(xiàn)問(wèn)題時(shí), 在搖臂的作用下，閥橋開始向下壓氣閥，先接觸側(cè)的氣閥開啟時(shí)，閥橋?qū)U開始在氣缸壓力的作用下產(chǎn)生彈性變形，由于氣缸內(nèi)部壓力比較大，所以此彈性變形非常快，它會(huì)瞬間敲擊到另一側(cè)的氣閥上面。而被敲擊側(cè)的氣閥打開后，也會(huì)形成一個(gè)反向的敲擊力。這樣，在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，就會(huì)存在一個(gè)反復(fù)敲擊兩側(cè)氣閥的情況，該敲擊力通過(guò)轉(zhuǎn)帽內(nèi)鋼球作用在轉(zhuǎn)帽彈簧片上面，從而使彈簧片受到反復(fù)的沖擊力。

由此看出，氣閥轉(zhuǎn)帽彈簧片的斷裂損壞也是由于閥橋體兩側(cè)存在的高度差引起的，與氣閥閥橋?qū)U斷裂的原因相同。

綜合以上分析及實(shí)際損壞情況來(lái)看，氣閥閥橋?qū)U斷裂和氣閥轉(zhuǎn)帽損壞沒(méi)有直接的聯(lián)系，閥橋?qū)U斷裂的時(shí)候，氣閥轉(zhuǎn)帽不一定發(fā)生斷裂損壞，反之亦然。

5）專利方及供應(yīng)方的初步分析

許可證部技術(shù)支持經(jīng)理對(duì)閥橋?qū)U損壞也進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為錯(cuò)誤的閥橋體和氣閥間隙的調(diào)整會(huì)導(dǎo)致閥橋?qū)U、氣閥、轉(zhuǎn)帽、搖臂的損壞和斷裂，MAN也遇到類似的問(wèn)題。從損壞情況的照片，他們可以斷定錯(cuò)誤的閥橋體間隙調(diào)整是引起氣閥導(dǎo)桿斷裂的主要原因。

轉(zhuǎn)帽的供應(yīng)商發(fā)來(lái)初步原因分析說(shuō)明。他們根據(jù)損壞轉(zhuǎn)帽情況介紹，初步認(rèn)為轉(zhuǎn)帽的損壞原因?yàn)橥庠谪?fù)荷較大或氣閥間隙調(diào)整不正確引起的。

從以上專利方與轉(zhuǎn)帽供應(yīng)商的初步分析來(lái)看，閥橋間隙調(diào)整的不正確應(yīng)該是造成此次閥橋?qū)U斷裂和轉(zhuǎn)帽損壞的主要原因。

6）同批次閥橋?qū)U的質(zhì)量情況

某船L21/31 發(fā)電機(jī)組使用的閥橋?qū)U有兩個(gè)批次，經(jīng)追溯這兩個(gè)批次閥橋?qū)U共計(jì)安裝于27 臺(tái)發(fā)電機(jī)組上，安裝這些柴油機(jī)的船部分運(yùn)行了超過(guò)1年的時(shí)間（運(yùn)行超過(guò)2,000 h以上）。目前從售后服務(wù)的反饋質(zhì)量投訴中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類似的質(zhì)量問(wèn)題。這從側(cè)面反映閥橋?qū)U的質(zhì)量是可靠的。

7）其他類似案例分析

為了進(jìn)一步分析此次故障的原因，也專門查詢了相關(guān)文獻(xiàn)資料，在《內(nèi)燃機(jī)車》雜志上查到兩篇類似閥橋?qū)U斷裂的分析案例：《東風(fēng)4 型機(jī)車柴油機(jī)橫臂導(dǎo)桿折斷原因分析及解決措施》（內(nèi)燃機(jī)車2001年第7 期）和《柴油機(jī)橫臂導(dǎo)桿斷的原因分析及解決措施》（內(nèi)燃機(jī)車2003年第10 期）。

這兩個(gè)案例都論述了閥橋調(diào)整偏差較大會(huì)產(chǎn)生閥橋?qū)U的斷裂。

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析，可得到以下結(jié)論：

1）L21/31柴油機(jī)發(fā)生閥橋?qū)U斷裂與氣閥轉(zhuǎn)帽損壞的主要原因是裝配操作失誤，閥橋體調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整失當(dāng)，導(dǎo)致閥橋?qū)U兩側(cè)高度差大幅超差（要求是0.1mm，失效部件的高度差達(dá)到1.24mm～3mm），閥橋?qū)U和氣閥轉(zhuǎn)帽受到較大的非正常交變載荷，從而使閥橋?qū)U從交變應(yīng)力最大的部位（閥橋?qū)U與氣缸蓋安裝面處）疲勞斷裂，氣閥轉(zhuǎn)帽蝶形彈簧疲勞損壞。

2）閥橋?qū)U和氣閥轉(zhuǎn)帽蝶形彈簧的斷口呈現(xiàn)典型疲勞斷裂特征，符合疲勞斷裂的一般規(guī)律。

3）由于L21/31柴油機(jī)故障的受損部件均在氣缸蓋組件內(nèi)部，采用整體更換氣缸蓋組件、嚴(yán)格安裝工藝（涂色檢查）的修復(fù)措施是合理、可行的。

[1]梁莎莉 ,代秀紅 ,姚海民 ,等 .柴油機(jī)氣缸蓋的三維有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ,2004，35(3):45-48.

[2]王凱 ,趙雨?yáng)| .小型汽油機(jī)缸蓋有限元強(qiáng)度分析 [J].內(nèi)燃機(jī),2008,6(6):1-5.