CAT3606 型柴油機曲軸裂紋故障修復

劉光周

（秦皇島港股份有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

秦皇島港某拖輪主機為CAT3606 型柴油機，單機功率1570 kW，共2 臺，在2018 年2 月的一次作業過程中右主機由于滑油低壓導致主機停車。經打開道門初步檢查油底殼發現滑油中含有大量磨損鐵屑，吊缸檢查后發現第3 和第4 道主軸瓦磨損嚴重，第3 缸處曲軸的曲柄銷與曲柄臂連接處有明顯的裂紋，如圖1 所示。

圖1 第3 缸曲柄銷與曲柄臂連接處的裂紋

1 柴油機曲軸損壞原因分析

曲軸是柴油機最重要的部件之一，它將活塞的往復運動通過連桿轉換為回轉運動，將柴油機各缸所作的功匯集后以回轉運動的形式輸出，同時還要帶動柴油機的其他附屬設備。曲軸受到旋轉質量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉載荷的作用。

曲軸的工作條件惡劣，其受力復雜，在工作時承受著巨大的負荷和交變的彎矩及扭矩。其常見的失效形式為彎曲疲勞斷裂和軸頸磨損。所以對曲軸材料要求具有較強的剛性和良好的疲勞強度以及耐磨能力。其疲勞破壞最常見的形式為金屬疲勞破壞，即彎曲疲勞破壞和扭轉疲勞破壞，在工作過程中前者發生的概率大于后者。彎曲疲勞裂紋通常產生在連桿軸頸（曲柄銷）或主軸頸圓角處，隨后向曲柄臂方向發展。扭轉疲勞裂紋產生于加工不良的油孔或圓角處，然后向與軸線成45°角方向發展。金屬疲勞破壞是周期性變化的交變應力作用的結果。曲軸損壞的統計分析結果表明，約80%是彎曲疲勞產生的。秦皇島港某拖輪CAT3606 型柴油機曲軸的裂紋就是由于第3 和第4 道主軸瓦嚴重磨損所造成的主軸承不同軸而引起的彎曲疲勞損壞。通常，在疲勞破壞之前，由于構件沒有明顯的變形，且裂紋的形成又不易及時發現，所以疲勞破壞一般表現為突然發生，很容易造成事故。所幸的是，拖輪在曲軸發生疲勞裂紋后，因潤滑油大量泄漏造成其油壓過低，觸發了潤滑油低壓報警及停車保護，使本次主柴油機曲軸裂紋故障沒有造成機毀人亡的事故。

2 曲軸裂紋故障恢復方案選擇

由于此次曲軸損壞嚴重，修復價格昂貴，周期長，修復后的技術性能和可靠性能都是未知數。因此，擬定更換曲軸，經多方聯系，有3 種方案可供選擇：

（1）購原裝進口新曲軸，價格昂貴，高達110 多萬元，供貨周期需1 個月。

（2）選國產自制曲軸，價格為70 多萬元，供貨期長達5 個月。

（3）選購同機型舊曲軸，價格為31.6 萬元，供貨期僅需20 d。考慮到該拖輪已有28 年船齡，主機已運轉53 000 多小時，距離報廢船齡僅有6 年，認為沒有投入過多維修資金的必要性。因此最終決定選購同機型拆機件舊曲軸。

3 修理工藝及步驟

同機型拆機件在維修過程中存在很大的困難。為了能使主機在維修后更好地投入使用，要求對柴油機各個部件（特別是曲軸和主軸承）的檢測、測量和維修務必精益求精，確保維修可靠徹底，具體的修理工藝及步驟如下：

（1）損壞曲軸的出艙。曲軸的尺寸和重量都是比較大的，出艙是一個復雜的工作過程，需充分地考慮到船舶的穩性以及人員安全。務必要提前考慮以下因素：①物質因素：主機解體前清理現場設立警戒線；主機解體過程中注意每個部件的合理拆卸，并具體細化到每個部位，保證船舶的穩性；②人員因素：解體前人員需經過專業的技術培訓，防止出現技術方面的錯誤導致機體損壞；做好安全培訓，確保作業當中人員和船舶的安全；③天氣因素：風浪會造成船舶的搖擺，天氣原因可能造成機件裝配不當或人員受傷，應將主機機體、缸頭、活塞、連桿等重要部件擺好放穩固定牢靠。

（2）對主軸承進行檢測與維修。用激光準直儀現場檢測主軸承孔中心線直線度和主軸瓦孔內徑尺寸，測量數據如表1 所示。主機型號CAT3606，主軸承孔直徑265 mm。

表1 主軸承孔及同軸度測量數據 mm

將測量結果與說明書對比得知：第3 和第4 道主軸瓦磨損嚴重，如圖2 所示，需要立即進行修復處理。最終選擇了工藝簡單、操作靈活、性能穩定的電刷鍍對主軸瓦進行修復處理。電刷鍍全部主軸瓦內表面直至有足夠的加工余量，按照主機說明書的標準順序和標準扭矩將主軸瓦蓋螺栓及側位螺栓擰緊，通過夾具將鏜削設備安裝至機架自由端，然后安裝鏜桿，并以1#和7#主軸瓦孔為基準找正鏜桿，逐一鏜削主軸瓦孔至目標尺寸，測量尺寸達到目標值后，拆卸鏜削設備，修順主軸瓦邊緣毛刺。然后利用滲透探傷法檢查鍍側表面質量，確保合格，如發現鼓泡、起皮、剝落現象則視為不合格，需重新做。用激光準直儀檢測主軸瓦孔中心線直線度和主軸瓦孔內徑，確保在說明書允許的尺寸范圍內。

圖2 第3 道主軸瓦磨損情況

（3）連桿的探傷檢測及連桿大端孔徑的修復。連桿是由連桿小端、桿身、連桿大端組成，小端與活塞相連，大端與曲軸相連，作用是將活塞的往復運動轉換成曲軸的回轉運動。其工作條件要求連桿具有較高的強度、剛度、韌性和抗疲勞性能，因此要求連桿體不得有裂紋和損傷。可用磁粉探傷檢驗連桿本體是否有缺陷，并測量檢測連桿孔徑、平行度和扭曲度，將測量結果與說明書對比確認是否符合工作要求，修復不符合要求的連桿大端軸瓦孔至標準尺寸。

（4）曲軸的檢測。將到貨的舊曲軸上檢測平臺，查看有無拉傷、燒蝕、嚴重磨損、裂紋或其他缺陷；用千分尺檢查主軸頸及曲柄銷直徑、圓度、圓柱度；檢測主軸頸中心線直線度（包括曲軸法蘭跳動量）；檢測曲柄銷相對于主軸頸中心線平行度；檢測曲柄銷及主軸頸表面硬度；檢測曲柄銷及主軸頸表面的粗糙度，全部應符合說明書及規范的要求。將曲軸置于整體式曲軸磁粉探傷機，對曲軸全部表面進行磁粉探傷檢查，檢驗結果為合格方可使用。

（5）曲軸及各類附件的回裝。將檢測合格的曲軸放置在專用的固定架上，回裝前首先確認好方向，并做好曲軸和機體的保護措施，按照曲軸出艙相反的程序將更換的曲軸回裝，其他附件按照主機說明書、規范及現場情況進行回裝，應在海況較好的天氣下進行回裝，避免在船舶搖晃的狀態下作業。

（6）軸系對中。主機正置后，安裝飛輪并測量傳動軸軸線，所得數值與規定值偏差過大。經查勘測量發現原因為主機機座受力不均導致墊片變形。為了縮短裝配調整工期及保證安裝質量，選用環氧樹脂墊片取代傳統的金屬墊片，這種新型材料的墊片配合性極好，對安裝過程的寬容性高。船用機械機座墊片依據船舶行業標準CB/T 3514—1992《船用環氧樹脂機座墊片技術條件》中總壓應力按公式P=（W+T）/A 計算,其中W為機械重量（N），T 為螺栓總緊固力（N），A 為環氧樹脂墊片總有效面積（mm2）。船用主柴油機處于工作狀態時，機座要承受工作轉矩或翻轉力矩，機座的一側所受壓力會加大，機座連接部件的一側受力也會加大，在機座連接部件受力后，其形變應在線性彈性范圍內。對于機座連接的設計，要確保機座墊片壓力增加側墊片受到的壓應力不超過許用值，即該側緊固螺栓須有一定的剩余拉應力，而機座墊片壓力減小側緊固螺栓的拉應力應不超過許用值，且墊片應保持一定的壓應力。同時，還要考慮環氧樹脂在干涸過程中約有1/1000 的收縮量。因此，在軸系對中時，應有意識地將主機頂高一點，具體頂高數據應根據澆注墊片的厚度來確定。

（7）數據測量。按照規范檢測主軸頸與軸瓦的配合間隙、推力盤間隙、曲軸臂距差等數據，應符合主機說明書及規范要求,未安裝連桿活塞運動裝置時測量的臂距差數據如表2 所示。

表2 曲軸臂距差測量數據 mm

（8）試車及磨合。主機所有部件回裝完成之后，進行控制電路的檢查與確認，并加水、加油，預潤滑各個機件，打開道門觀察曲軸及缸套活塞的潤滑油量，確保潤滑油油路暢通，避免試車損壞機件。所有準備工作就緒后，啟動主機，跟蹤觀察各個參數并測量道門及機體溫度，確保沒有任何異常。磨合期要多次檢查潤滑油粗細濾器，并做好潤滑油化驗工作。

4 結束語

船舶設備的日常維護管理工作是非常重要的，必須對各機電設備的保護裝置進行定期檢測，及時維護和校正異常的報警保護點，確保全部機電設備保護裝置的性能完好。船用主機曲軸更換工程在船舶維修中是較少見的大工程，任何設計、計算和施工過程中的失誤都會造成質量問題和安全事故。曲軸更換的整個施工過程應在風浪小、碼頭條件好的情況下進行，且要通過船舶壓載調整首尾吃水以實現理想浮態。曲軸的進艙與出艙是此工程的難點，拖輪機艙及兩側舷門非常狹窄，在施工前務必要組織好安全、質量、工藝交底工作，確保整個施工過程順利安全進行。