某型柴油機曲軸異常損傷原因淺析

黎鋅

摘 要：曲軸是柴油機中技術要求高，造價較昂貴的部件之一，由于其工作中承受較大的周期性的交變載荷，從而容易出現磨損。本文通過對某型柴油機曲軸和連桿大端軸瓦磨損狀況的講述，對其磨損的原因進行了分析，并以此為據提出了相應的對策。

關鍵詞：柴油機；曲軸；軸瓦；異常損傷；原因；對策

1.引 言

Xx公司“xx龍”是一艘大型的電力推進工程船，其發電原動機采用xx型柴油機。該機型也是xx公司首次采用的大型發電機組柴油機，我們對該機型缺乏足夠的了解，沒有足夠的維修經驗。雖然主機廠推薦的大修周期為12000～20000小時。考慮到該發電機的實際工況比較惡劣（長期低負荷運行且負荷突變頻繁），僅憑外部觀察到的運行參數，我們并不能對柴油機內部結構如缸套、活塞環、活塞、曲軸、軸瓦等重要部件狀態進行準確判斷，為確保設備的安全運行，我們把第一次大修的時間定在廠家推薦的下限，即12000小時，以便盡早掌握柴油機內部的狀況，及時發現可能存在的缺陷，并隨時根據設備實際情況進行更好的維護和保養。

2.故障現象

首先對2號柴油機進行大修（總運行時間：13320小時），在拆除了每缸的連桿大頭并把活塞吊出后，初步檢查，發現每一缸的曲柄銷在和軸瓦接觸的同一位置均有一個氣蝕點，大小約15x15mm，最深處約0.2mm，氣蝕點距離曲柄銷大約12厘米；在曲柄銷中間位置有連續的淺拉痕。每個連桿大端軸瓦都有較嚴重的磨損及氣蝕，下瓦的表面金屬層已大部分磨損脫落。曲軸及連桿瓦氣蝕點如下圖所示：

2號柴油機曲柄銷氣蝕點 連桿大端軸瓦氣蝕點

經檢測，發現：每缸出現氣蝕點的位置基本相同，氣蝕點距離曲柄銷大約12厘米，最寬處約15mm，最深點約下沉0.2mm，除此之外，各曲柄銷的圓度、圓柱度均正常，沒有其他異常磨損。

3.原因分析

該柴油機僅運行了13320小時，每缸曲柄銷上都出現氣蝕點，這是不同尋常的現象，對此，我們分析如下：

柴油機工作時，氣缸內的壓力在不斷變化，就產生了不穩定載荷，使曲軸的軸頸在徑向迅速通過工作行程時，其后面間隙擴大，在這較短的時間內，附近的油流不能迅速加以補充，形成了真空。隨后潤滑油進入真空區，便會形成空泡，且迅速破滅，造成了對曲軸和軸瓦表面起破壞作用的沖擊波，產生氣蝕破壞。同時由于不穩定載荷使曲軸上的載荷產生波動，載荷波動的頻率和幅度對氣蝕的產生有著較大的影響，頻率波動越高，波動幅度越大，就越容易產生氣蝕。

曲軸的曲柄銷上有進出油孔，以便潤滑軸頸和連桿大端軸承，當有壓力的潤滑油通過油孔時，油流被油孔邊緣迅速地切斷，油流因慣性作用而繼續流動，在切斷處產生真空，形成空泡；通過油的回流或偏離1800油孔位置時又開始供油，重新建立的壓力使空泡破滅，形成了對曲軸和軸瓦表面的沖擊破壞作用。這種真空程度越高，生成的空泡越大，破滅時產生的沖擊速度就越快，破壞性也就越強。

該柴油機作為起重工程船上的發電原動機，為起重機等設備提供電力，由于工程船使用上的特殊性，經常處于空車或長期低負荷運行的狀態，而且負荷突變頻繁。這些都會造成柴油機工況不穩定，從而導致曲軸和軸瓦中滑油壓力波動。當軸瓦中某一局部滑油壓力降低時，溶解其中的氣體就可能析出形成氣泡，這些氣泡受到曲柄銷和連桿瓦的擠壓作用而破滅，周圍的液體以極高的速度沖向氣泡，產生高壓沖擊波，形成氣蝕。如此長期反復作用，從而在曲柄銷和連桿瓦表面某一集中區域形成金屬疲勞剝落。

拆出的2號柴油機連桿大端下瓦在中間油孔旁邊有2個明顯的氣蝕點，這個位置和曲柄銷氣蝕點的位置剛好重合。根據曲柄銷及軸瓦氣蝕點重合時的位置分析，應該是在下死點前的某個角度。2號柴油機拆出的連桿大端下瓦在中間部位沒有油孔或油槽，軸瓦的兩端都有多個油孔，軸瓦兩端的油孔不相貫通。工況變化時，在曲柄銷和連桿瓦的某一局部區域，滑油來不及及時補充，出現局部負壓面而產生氣泡，并且順著滑油流動方向，軸瓦末端附近區域是滑油流體特性最差區域，容易出現負壓，因而最容易產生氣蝕。

注意到柴油機廠家提供的隨機備件中柴油機連桿大端下瓦結構與我們拆出的連桿大端下瓦有所不同，新的下瓦油槽貫穿整個軸瓦。

這應該是柴油機廠家已經注意到該型柴油機軸瓦存在的問題而做出改進。

綜上所述，我們認為這個氣蝕點應該是因為2號機軸瓦的結構造成的，而發生氣蝕的時刻應該是作功沖程末排氣閥提前打開的時刻。

4.處理措施

考慮到各曲柄銷的圓度、圓柱度均正常，沒有其他異常磨損，氣蝕點范圍不大，我們首先對每一缸曲柄銷上的氣蝕點，盡可能地用各種適合的油石和砂布慢慢打磨，去除粗糙的表面，恢復其光滑度。為避免應力集中，氣蝕點和曲柄銷的分界面打磨成圓弧過渡，拋光氣蝕點口邊，使其獲得光滑的圓弧過渡。隨后我們對修整過的曲軸進行磁粉探傷，在反復多次探傷確認沒有隱藏的裂紋后，結束對曲軸的修理。

整機大修結束后，我們試車10分鐘后打開道口蓋檢查曲柄連桿機構正常，裝復道口蓋再次試車2小時，無異常，加載使用100小時候，我們再拆檢連桿大端軸瓦，軸瓦、曲柄銷正常。該發電機轉入正常使用。

5.后續機器的檢修情況

隨后又對該船4號柴油機進行大修，大修過程中卻沒有發現和2號柴油機同樣的故障現象。2號和4號柴油機的機型一樣，平時管理、維護保養、運行時間以及運行工況都基本相同，唯一不同的是兩臺機連桿大端軸瓦的下瓦在結構上有點不一樣，2號柴油機的連桿大端下瓦在徑向的中間部位沒有油孔或油槽，4號機連桿大端下瓦卻采用的是改進型的軸瓦，其油槽貫穿整個軸瓦。連桿大端軸瓦結構形式不一樣，拆檢的結果也完全不同。這也從側面印證了我們的分析是正確的。

6.結束語

柴油機在生產過程中肯定會不斷地改進和完善，一個開拓進取和負責任設備商肯定不會隱瞞自己設備存在的缺點，而且也也會采取有效的改進措施。作為最終用戶，我們希望設備商能及時通知用戶相關改進信息和管理舉措。只有設備商和最終用戶同心協力才能更好地發揮設備的效能。

參考文獻

[1]GB/I，18844-2002《滑動軸承損壞和外觀變化的術語，特征與原函》.

[2]《內燃機配件》2005.