HXN5型機車活塞組件連接螺栓斷裂的分析

鄭敦洋 中國鐵路上海局集團有限公司合肥機務段

1 概述

HXN5型機車的16個動力組是柴油機運動件的重要組成部分，而活塞組件是整個動力組做功的關鍵部件，它一方面與氣缸套組成燃燒容積，配合形成合理的壓縮比，給高溫燃氣提供充分的燃燒空間；另一方面又承受著高溫燃氣的膨脹做功壓力，帶動連桿組做往復循環直線運動，將熱能轉化為機械能向外輸送。

追蹤分析我段發生的幾起HXN5型機車柴油機大破故障，發現活塞連接螺栓斷裂是造成事故的直接原因。在整個活塞組件中，活塞頭與活塞體通過四根高強度連接螺栓連接成一體，螺栓的質量好壞是整個柴油機工作性能的重要保證。一旦螺栓發生斷裂，則該缸運動系統的平衡打破，活塞頭與活塞體易發生分離，造成柴油機大破。

通過對斷裂的螺栓進行深入分析，找出了造成螺栓斷裂的原因有自身材質不過關、組裝不合格及油質的清潔度不達標等。

活塞組連接螺栓斷裂后造成柴油機大破的過程見圖1。

圖1 活塞組連接螺栓斷裂后造成柴油機大破的過程

2 連接螺栓斷裂原因

2.1 自身材質原因

活塞組件主要由活塞頭、活塞體、活塞裙、活塞銷和活塞環等組成，活塞頭與活塞體之間以高強度螺栓緊固，活塞銷置于活塞體和活塞裙的活塞銷孔里，屬浮動式活塞銷，在活塞裙的活塞銷孔兩側裝有擋圈，用于限制活塞銷的軸向串動。活塞頂為淺W形狀，與噴油器的多孔噴嘴所噴射的油束相配合，使氣缸內的空氣與燃油充分接觸和燃燒。

在柴油機的活塞連桿組作功過程中，活塞頭與活塞體的連接螺栓受到活塞頂的高溫高壓熱負荷、活塞銷的機械壓力和拉力以及活塞的慣性力等復合力的作用，另外活塞銷座頂平面與活塞頂下部環形平面之間，雖然由于螺栓的緊固而密貼配合，但燃氣壓力會引起二者間的相對滑動，導致活塞銷支承面的微振磨損。

同時在熱負荷作用下，環形接觸面內側會翹曲脫開而產生楔形縫隙又加大了聯接螺栓的剪切力。如果螺栓的材質達不到要求，在長期的熱負荷作用下，螺栓易產生疲勞，應力集中在螺栓的薄弱處產生裂紋，在活塞運動過程中，受高溫及交變應力的沖擊，裂紋擴大最終斷裂，活塞螺栓斷裂后在長時間的高頻率運動中使活塞體與活塞頭完全脫離，脫離的活塞頭與活塞體不斷撞擊活塞裙和缸套使活塞裙和缸套破碎，活塞裙破碎后使活塞銷在安裝座失去控制，活塞銷不斷來回沖擊使卡簧扭曲，活塞銷串出脫落，連桿在運動過程中產生扭曲在大小端過渡處發生斷裂，最終可能打壞機體造成大破。

例：2016年9月27日 HXN5-0300機車L3缸活塞連桿組破損造成柴油機大破。

外觀檢查機車，發現機車水箱無水，柴油機左3、右3防爆閥打開，左3連桿斷裂，活塞碎，連桿瓦蓋緊固螺栓斷裂，曲軸拉傷，連桿瓦碾。

分析認為：可能是左3缸活塞體與活塞頭的四根連接螺栓存在缺陷，在活塞的運動過程中有一根連接螺栓斷裂造成活塞頭與活塞體產生位移，在長時間的高頻率運動中拉斷其它三根連接螺栓，使活塞體與活塞頭完全脫離，脫離的活塞頭與活塞體不斷撞擊缸套使缸套破碎，另在撞擊過程中使活塞銷卡簧斷裂，活塞銷串出從曲軸箱蓋安裝孔處飛出，同時在活塞撞擊運動過程中，連桿產生扭曲變形而發生斷裂，連桿小端從右3缸曲軸箱蓋安裝孔處甩出。

連桿在扭曲和斷裂過程中，使連桿瓦的潤滑油外泄，連桿瓦得不到潤滑產生擠壓碾成刀片狀碾片并不斷啃壓曲軸造成曲軸產生損傷，連桿在扭曲過程中造成瓦蓋連接螺栓切斷，瓦蓋脫落。

2.2 組裝原因

活塞體由球墨鑄鐵制成，主要用于支撐活塞頭與活塞銷。球墨鑄鐵活塞體相對鋁活塞體，一是其重量相對較大，二是其活塞銷孔可承受更高的壓比，因而對螺栓的組裝要求也會更高。

按工藝螺栓擰緊要求：螺紋和螺栓安裝面涂適量莫尼卡潤滑劑G-n-plus或莫尼卡（MOLYKOTE）潤滑劑。按對角線順序擰緊螺栓至40 nm。完全松開所有螺栓。按對角線順序再次擰緊螺栓至15 nm。再將螺栓擰轉90°±1°（參考扭矩為55 nm±15 nm），4根螺栓擰緊扭矩差不大于10 nm。

控制檢查：

當施以35Nm的擰緊力矩時，螺栓不得轉動。

要求組裝后的螺栓的預應力為42 kN。

當某一個螺栓的緊固力矩達不到要求或4個螺栓的緊固力矩不一致時，螺栓所受到的拉力和熱應力也不一致，螺栓的運動平衡將會破壞。活塞連桿組在運動過程中活塞頭與活塞體將會產生微量蠕動，由于螺栓受到的應力不一致，蠕動量也會發生偏差，長時間的微量蠕動偏差達到極限時將破壞平衡發生質變。

偏差大的螺栓將會發生裂紋，裂紋擴大后拉斷螺栓使活塞組平衡破壞，造成活塞頭與活塞體分離，活塞體與連桿組在往復運動中沖擊活塞頭，活塞頭沖擊氣缸蓋底面。使氣閥受損卡滯，氣缸內運動件破損。而活塞體與連桿組在向下的運動過程中由于失去平衡產生巨大的沖擊，使氣缸套破損，連桿組產生扭曲而斷裂。活塞與連桿裂塊不斷打擊機體其它部位造成機車大破。

例：2016年11月5日 HXN5-0288機車L7缸活塞連桿組破損造成柴油機大破。

外觀檢查柴油機左7缸曲軸箱蓋打開，左7缸連桿在大端與小端過渡處斷裂，曲軸上有輕微拉傷、磨損，連桿瓦狀態良好，連桿大端連接螺栓緊固，螺栓頭處磨損。活塞破損，活塞頭卡在機體內頂端，活塞體與活塞裙部破裂成大量碎塊，活塞銷卡簧彎曲變形，活塞銷表面磨損，油堵正常，活塞頭與活塞體四根連接螺栓斷裂，其中有2根從絲扣處斷裂，1根完整但有拉伸現象，另1根找不到。機體處與凸輪軸連接處破損，內側有破損，水腔、油腔處未發現明顯破損。缸套嚴重破損成大量碎塊。R7缸處連桿與活塞裙部有輕微破損。

分析認為：此起故障是由于柴油機左7缸活塞體與活塞頂4根連接螺栓斷裂，活塞頂安裝螺栓斷裂后在長時間的高頻率運動中使活塞體與活塞頭完全脫離，脫離的活塞頂與活塞體不斷撞擊活塞裙和缸套使活塞裙和缸套破碎，活塞裙破碎后使活塞銷在安裝座失去控制，活塞銷不斷來回沖擊使卡簧扭曲，活塞銷串出脫落，連桿在運動過程中產生扭曲在大小端過渡處發生斷裂。破碎的各種碎塊沖擊機體和R7缸運動件，使機體和R7缸運動件發生破損同時，活塞、缸套破損以后，燃燒室高壓燃氣竄入曲軸箱，導致曲軸箱壓力升高，COP動作，造成柴油機停機。

后經廠家協議，吊修其它15個缸的活塞連桿組檢查活塞頭與活塞體的連接螺栓狀態，發現有幾個連接螺栓的緊固力矩不符合要求，所以總結是由于活塞連接螺栓的組裝原因不當造成機車大破。

2.3 油質原因

在活塞組件中，活塞體上部與活塞頭下部共同形成中間和外圍兩個冷卻油腔，由連桿來的潤滑油經活塞銷孔里的油孔進入外圍油腔，用于冷卻活塞環槽和活塞頂。

另外，通過活塞體上的橫向油孔進入中間油腔，去冷卻活塞頂中部。油腔緊靠活塞環槽，可以有效地降低活塞環和環槽的工作溫度，從而減小活塞環及環槽的磨損，避免活塞環彈性松弛和粘結等故障的產生。

在外圍油腔，活塞體和活塞頭之間用橡膠圈密封。活塞頭內腔的外周是一個環形冷卻油腔，油腔的外周還設有許多油孔通向活塞頂內壁，壓力油經上述油腔和油孔去冷卻活塞環槽和活塞頂。冷卻油腔內設置的向上斜油孔，可有效冷卻活塞頭的頂部和上部圓柱面，避免頂部過熱而出現裂紋和由于圓柱面受熱膨脹而產生抱缸故障。

活塞頭內腔中央與活塞體頂面形成一個較大冷卻油腔和冷卻表面，用進入此油腔的油去冷卻活塞頂中部。環形油腔與中部油腔之間有一個環形凸臺，它上面設有螺紋孔和定位銷孔，通過螺栓和墊圈把活塞頭與活塞體連接起來，活塞體與活塞頭之間用定位銷定位。

當工作油油質發生變化時，進入到油腔的工作油在高溫作用下形成的油膜達不到要求，不能有效地對活塞頂和活塞體進行冷卻，使各部的受熱不均勻，熱量散發慢，應力增加，螺栓又是整個活塞組件中關鍵環節，所受到的交變應力本身較大，再加上額外增加的其它應力使疲勞強度增大，螺栓疲勞到極限時發生裂紋拉斷螺栓造成大破。

另外如果工作油中含有細微雜質，雜質隨著工作油進入各油腔，一是加劇油腔內壁的磨損，使雜質含量更加增多，二是雜質積累到一定程度時會阻礙油路的暢通，使工作油不能正常循環流動，冷卻效果下降。活塞組的熱量不能及時散發，熱應力急劇增加。而雜質一旦進入螺栓的螺紋孔徑中，會粘附在螺紋孔內，使螺栓的絲扣部分與螺紋孔接觸面積減少，在螺栓緊固過程中螺栓的螺紋部分受到擠壓，螺栓發生變形，降低了螺栓的強度，長期在高負荷運動中使螺栓發生拉伸變形剪切，剪切后造成頂裙分離柴油機大破。

3 結束語

在前期HXN5型機車發生的柴油機大破中，我們認真檢查分析，總結了活塞組故障造成柴油機大破的原因，并制定對應措施投入實踐，如與廠家建議用高質量的螺栓、制定科學的作業指導書等。通過實踐驗證，目前我段HXN5型機車在柴油機問題上出現的故障次數大幅降低。