某柴油机高压油泵传动轴断裂故障处理

胡善付 郭超 于跃

（广船国际质量管理部、物资部）

0 前言

TBD620 系列柴油机以其高热效率、高经济性、高可靠性、方便维修而成为先进的发电机之一。TBD620V16 柴油发电机组主要运动部件包括曲轴总成，活塞连杆组件，主轴瓦、连杆轴瓦等，曲轴上安装有主动齿轮用以传动凸轮轴、喷油泵及其辅助装置。传动轴装于轴承座中，轴承座由壳体、传动轴、滚动轴承、滑环、O 型圈、轴密封圈、锁紧螺母、内六角螺钉、调整环、乐泰242 组成，其中传动轴的材质为42CrMo，状态为调质处理。下面分别从现场勘察、原因分析、处理方法等几个方面进行详细说明。

1 现场描述及拆检情况

1.1 故障概述

某船3#柴油发电机组（编号3A8C00320）在700kW 负载运行时，出现柴油机高压油泵传动轴断裂故障。故障发生时，柴油机累计运行约1000 小时。

1.2 柴油机拆检情况

事故发生后立即组织相关人员对柴油机进行了拆检，发现高压油泵传动轴在定位螺母与联轴节之间的位置处断裂，见图1 和图2，断口处有磨损、生锈痕迹。检查高压油泵齿条动作灵活，高压油泵传动法兰螺母紧固无松动。检查柴油机V 形夹角内无异物，泵传动轴上无明显磕碰痕迹。拆下柴油机前端小盖板，检查高压油泵传动齿轮紧固螺栓无松动,对柴油机进行手动盘车两圈以上正常，观察前端齿轮系，各零部件外观及转动无异常，拆下淡、海水泵，触摸检查凸轮轴齿轮及水泵齿轮，其可见部分未见异常。为排查故障发生的原因，拆下高压油泵传动装置、高压油泵联轴节，安排返厂检测。返厂后检查泵传动轴，手动转动有轻微卡滞，定位大螺母安装无松动，见图3。轴与法兰锥面无滑动痕迹，见图4。泵传动装置总成装配符合要求无异常。拆解传动轴，传动轴两端轴承无损伤，见图5。

图1 传动轴断裂照片

图2 传动轴断裂位置示意图

图3 泵传动端

图6 断轴形貌

表1 化学成分分析结果（Wt%）

表2 力学性能分析结果

图4 联轴节端

图5 内部未拆出的轴承

2 传动轴断裂原因分析和解决方法

2.1 传动轴断裂失效分析

（1）宏观分析：肉眼观察传动轴已断裂成两部分，断口有磨损。将断口两部分复原发现断口由于变形和磨损不能完全吻合，并有小块缺失，断轴形貌，见图6；

（2）化学成分分析：对传动轴进行化学成分分析，化学成分满足要求，见表1；

（3）力学性能分析：对传动轴进行拉伸和冲击性能试验，力学性能满足要求，见表2；

（4）扫描电镜分析：在断口下方观察到一条与断口近似平行的裂纹，将该裂纹打开，将图7 中箭头处的小块金属取下，发现断口的部分区域实际是由下方裂纹扩展过来形成的。

原始断口和新打开断口的形成部位和性质一致，由于原始断口磨损严重，因此对新打开断口进行扫描电镜分析。

断口上可观察到明显贝纹线，贝纹线呈半圆弧形，其圆心即为源区。对源区进行放大观察，未发现明显冶金缺陷，见图8。断口上大部分区域有覆盖，观察不到断口细节，能观察到的部位有疲劳辉纹和二次裂纹特征。

对源区表面进行观察，在源区附近观察到0.8mm 左右的条纹痕迹，该条纹痕迹位于轴的变径上，放大后形貌，见图9；

图7 断口低倍形貌

图8 断口形貌

图9 表面形貌

图10 金相组织 500×

图11 抛光态形貌 200×

图12 腐蚀态形貌 500×

图13 源区组织 500×

（5）金相分析：传动轴夹杂物级别：A1.0，D1.0级。金相组织：回火索氏体，见图10。

截取变径处进行金相分析，抛光状态下变径处未观察到明显缺陷，见图11。腐蚀状态下金相组织与其他部位一致，未观察到明显缺陷，见图12。

对断口表面进行金相制样观察，源区附近金相组织与其他部位一致，未观察到明显缺陷，见图13。

经过上述试验进行分析初步认为传动轴化学成分、拉伸和冲击性能均满足要求。夹杂物级别不高，为A1.0，D1.0 级。金相组织为回火索氏体，属正常调质态组织，材质正常。

在断口下方观察到一条与断口近似平行的裂纹，发现断口的部分区域实际是由下方裂纹扩展过来形成的。原始断口和新打开断口的形成部位和性质一致，由于原始断口磨损严重，因此对新打开断口进行扫描电镜分析。

新打开断口上可观察到明显贝纹线，贝纹线呈半圆弧形，贝纹线所占区域即为疲劳扩展区，该区面积占整个断口面积的1/3 左右。断口大部分区域有覆盖物，观察不到断口细节。能观察到的部位有疲劳辉纹和二次裂纹特征。结合断口特征可以判断，传动轴在运行工况下长期受扭转力的作用，造成疲劳损伤，断口属于扭转疲劳断裂。

贝纹线的圆心即为源区，对源区进行放大观察，未发现明显冶金缺陷，但是在源区附近观察到0.8mm 左右的条纹痕迹，该条纹痕迹位于轴的变径上。截取变径处进行金相分析，变径处未观察到明显缺陷，金相组织也与其他部位一致，属于正常组织。

因此，传动轴属于扭转疲劳断裂，疲劳源位于轴变径的条纹痕迹处。在排除掉传动轴内部组织的各种缺陷因素后，经过分析判断，认为应该是表面质量不良或缺陷导致了疲劳裂纹的萌生，应力集中，进而引发了疲劳断裂。

2.2 解决和处理的方案

（1）针对此问题，提醒生产厂家对库存传动轴外观质量进行全面检查，未发现有表面受损现象，零部件外观质量良好。并提醒生产厂家在生产过程加强零部件表面保护，装配前确认零部件表面质量，装配过程注意保护，避免磕碰，确保运动部件外露部分不受损伤。

（2）现场已按工艺要求更换传动轴，装复高压油泵，并对柴油机装复后进行磨合试验，试验结果符合要求。

（3）对现场其它5 台柴油机进行盘车检查，未发现异常，并对高压油泵传动轴进行了着色探伤检查，未发现异常，目前机组运行正常，运行稳定。

3 结论

本文仅对TBD620V16 柴油机高压油泵传动轴断裂情况的处理过程进行了简单阐述，通过失效分析查找原因，解决问题并举一反三。随着造船事业日益发展和造船量的增加，希望本文能对大家在以后工作中遇到的相同及类似问题提供一些帮助。