12V240JZ型柴油機連桿瓦失效分析及預防措施

陳 予，張厚維，劉 徽，葉天文，肖 杰，譚 斌，陳 濤，蘆永凱

（1.中國鐵路武漢局集團有限公司武昌南機務段，湖北武漢 430064；2.中國鐵路武漢局集團有限公司機務部，湖北武漢 430071）

1 部件失效情況

DF7C5414機車柴油機在磨合試驗中，油壓油溫正常、軸瓦潤滑狀態良好。進入全負荷期1000 r/min 運行3.5 min，柴油機自由端油封蓋冒煙。分解柴油機，自由端油封蓋與曲軸傳動齒輪軸頸磨損，A6 缸（以下簡稱“A6”）、B6 缸（以下簡稱“B6”）連桿瓦失效。

1.1 軸頸失效

A6 連桿頸主承載區發黑、發藍，表現出明顯的摩擦特征，A6 軸頸磨損情況比B6 嚴重（圖1）。A6 主磨損區，軸徑Ф194.32～194.40 mm（曲軸連桿軸頸）。

圖1 A6—B6 缸連桿頸磨損

1.2 A6 上瓦失效

（1）上瓦主負荷區磨損，急劇聚熱高溫形貌，瓦背發黑面過半，失效軸瓦厚度3.80～3.63 mm（原瓦5.05 mm）（圖2）。軸瓦間在高速高負荷下運轉，合金面金屬物質被快速銷磨（圖3）。下瓦合金面磨損，磨損量及過熱程度小于上瓦，且A6 下瓦背與大端孔座接觸狀態良好（圖4）。

圖2 A6 上瓦背過熱

圖3 A6 上瓦合金面磨損

圖4 A6 下瓦失效情況

（2）甄別確認連桿及軸瓦全部測量組裝數據，符合規定技術要求。柴油機經空載負荷各階段磨合，軸瓦已具備相關屬性性能，連桿檢修及軸瓦組裝各項工藝工序得到檢驗。

（3）失效主要表象是上、下瓦內圓合金與軸頸磨擦，合金物質被快速磨掉脫落直接成為磨屑。高溫傳導使瓦背受熱發黑，原因是瓦與軸頸處半干油膜或無油膜零游隙，且柴油機高速全載荷。

（4）失效類型為直接接觸磨損。

1.3 B6 軸瓦失效

（1）B6 上、下瓦失效情況勻好于A6，但上、下瓦背面勻有過熱發黃現象（圖5）。

圖5 B6 上、下瓦背面

（2）受A6 上瓦高熱傳導輻射，B6 上瓦合金面膨漲，游隙變小，靠近A6 側上瓦部分，過熱量大于另側。這部分合金先發生熱疲勞引發裂紋，少量剝離，游隙變小，合金面進入半干摩擦，化錫合金面剝離失效。熱量快速傳導下瓦，引發合金面熱疲勞剝離，脫落物質參入碾磨損合金面（圖6）。

圖6 B6 上瓦和下瓦失效

（3）失效類型為合金熱疲勞，剝離失效。

2 故障分析

2.1 接觸磨損特征[1]

（1）瓦軸間游隙、油膜變小或瞬間為零，由液體摩擦迅速轉變軸瓦間接觸摩擦，高溫使合金面膨漲或化錫剝落，增大接觸磨損面積及強度。如果A6 磨損面高熱發黑，軸瓦主承載區與軸頸將直接急劇摩擦（圖7），高溫傳導瓦背及大端孔聚熱，會殃及下瓦。高熱輻射傳導給B6 軸瓦，引發B6 軸瓦失效（圖8）。

圖7 A6 上瓦形貌

圖8 B6 上瓦形貌

（2）合金面表面特征：合金面磨損痕跡突出，瓦面快速受熱化錫，合金剝離。

（3）對比背面熱量分布，A6 背面發黑面大于B6 背面。原因是A6 軸瓦受熱高于B6、A6 上瓦磨損重于B6，所以A6 先于B6軸瓦失效。

2.2 自由端油封蓋磨損

（1）柴油機進入全負荷約3.5 min，自由端油封蓋冒煙，觀察油封蓋摩擦程度，靠柴油機右側磨損量比左側深0.2～0.15 mm，說明運轉時曲軸向右偏擺（圖9）。

圖9 磨損痕跡

（2）曲軸傳動齒輪軸頸磨擦油封蓋，軸頸深溝磨痕，發黑發藍，屬瞬間劇烈摩擦（圖10）。

圖10 曲軸傳動齒輪軸頸磨損

（3）蓋座孔內右側半圓區磨損明顯，磨損部位對應曲軸45°、135°轉角。傳動齒輪軸頸與油封蓋最下點磨損痕跡，對應A6—B6連桿頸下止點轉角。曲軸運轉過程中，發生偏甩現象，A6—B6 連桿頸運轉相位與傳動齒輪軸頸磨損部位同步。傳動齒輪軸頸處最下點正是A5—B5 連桿頸處正爆發做功，動能最大。曲軸傳動齒輪軸頸在最下點與油封蓋互磨，與A6—B6 連桿頸做功無關聯（圖11）。

圖11 連桿旋轉相位

3 故障突出特征

3.1 油封蓋故障情況

油封蓋右側磨損角度正對應連桿頸，A6—B6 上瓦受力承載由上始點向下始點運轉時間區段，此時曲軸連桿頸軸線向右偏甩，A6 上瓦處重載區，連桿頸軸瓦間游隙最小，A6上瓦被迫與軸頸發生接觸磨損，瓦與軸頸發生接觸性摩擦快速失效。

3.2 異常外力作用

觀察第一位主軸瓦，發現下瓦外側邊緣有徑向條帶狀痕跡寬8.4 mm、長2/5 圓周（圖12）。曲軸傳動齒輪軸頸（硅油減振）自由磨損部位，與A6、B6 下止點同角度。此時曲軸轉角A6、B6 不能產生向下最大動能[2]。主軸瓦沒有接受垂直徑向載荷客觀條件，不能對下瓦邊緣產生掃磨。只有曲軸系受外力作用才能使曲軸自由端下沉，使軸瓦邊緣區低游隙狀態，制造邊緣痕跡。

圖12 軸瓦外邊緣痕跡

觀察其他6 位主軸瓦上下瓦潤滑狀態良好。說明傳動齒輪軸頸與油封蓋相磨，是受自由端外加力系作用，柴油機升降速時，軸系統振動偏甩幅值與A6—B6 連桿頸振動峰值同步。

3.3 曲軸連接部件情況

測量曲軸傳動齒輪軸頸法蘭端面，端面水平跳動量0.16～0.3 mm 曲軸傳動齒輪軸頸法蘭面，在高速重載運轉中受外力扭曲變形。拆檢曲軸硅油減振器全面檢查各部件狀態良好，符合規定技術要求。

這再次證明曲軸系統受外部附加力系作用發生偏甩現象。

4 偏甩危害

當A6 缸正爆發下行時，曲軸連桿頸軸線右偏，A6 缸上瓦磨損起始，軸瓦間游隙迅速減小，上瓦主承載區直接與軸頸半干或干摩擦，磨損失效。瓦背聚熱高熱，說明是直接接觸磨損。另外，曲軸被扯拽向下偏甩過限，傳動齒輪軸頸與油封端蓋相互磨損。

4.1 偏甩原因分析

（1）曲軸傳動齒輪軸頸法蘭相連自由端長傳動軸，曲軸傳動齒輪法蘭端面扭曲變形，長傳動軸偏甩是策源點。長傳動軸長1574 mm。高速轉動時產生運動慣性量，A6 運轉做功時，上瓦與軸頸間游隙被擠占掉，軸瓦磨損性失效。故障后，測量A6 大端孔其合口B—B 方向直徑為Ф205.15 mm，比Ф205.05 mm 增大0.10 mm，超限中修限度0.04 mm[3]。A6 連桿大端孔運轉過程中，合口水平方向受載荷作用過大，大端孔出現較大橢圓度超限。

（2）柴油機快速加載至1000 r/min，傳動軸花鍵套與花鍵軸間有短時沖擊跳動偏甩。曲軸在高速運轉中，自由端曲軸傳動齒輪軸頸被牽扯下沉磨損油封蓋最下部。

（3）曲軸硅油減振器系統，各部件角速度相等，線速度最大，徑向離心慣性力最大，長軸偏甩動能傳硅油減振器中心區域角速度向量被放大，與線速度相近連桿頸同頻偏甩，即A6—B6 連桿頸首位響應，磨損軸瓦。

5 故障梳理歸納

（1）長軸跳動量大，高速高載時，偏甩幅值與A6—B6 連桿頸同步，偏甩擠占游隙，上瓦與軸頸接觸互磨失效，危害B6，進而引發軸瓦失效。

（2）故障發生后，更換上備品柴油機，啟機磨合負載試驗時，同樣全負荷轉速1000 r/min 時，柴油機再次復制故障原版本。曲軸傳動齒輪軸頸磨損油封蓋，A5—B5 連桿瓦軸頸失效。

（3）拆檢長傳動軸測量花鍵與鍵套側隙為1.7～1.9 mm。查閱連桿瓦異常失效故障案例，DF43220機車因牽引發電機轉子軸偏甩，第15 缸連桿瓦嚴重失效。DF40486機車NPT5 空氣壓縮機，因電機軸跳動量大偏甩，連桿瓦異常失效。這兩例均為外軸偏甩同振引發連桿瓦失效。

（4）2020 年10 月中修DF7機車460C#第1 位連桿頸嚴重磨損失效，對應外部連接傳動軸多部件失效，振動偏甩嚴重。

（5）主要原因推定：柴油機高速重載時，長軸偏甩，引發軸瓦接觸性磨損失效故障。

（6）更換新柴油機，且修復調整長軸優化安裝后，柴油機啟機負荷試驗順利通過。

6 改進措施

（1）長軸動平衡試驗，靜態跳動量測量，符合規定技術要求。

（2）長傳動軸安裝，執行設計技術要求。

7 結論

通過故障分析，認識柴油機系統相關部件的每個部件非單獨運轉，每個部件相互關聯影響，每個環節事關全部整體。長軸檢修執行工藝標準后，車上裝配執行各項技術要求，解決了此類系統故障。