某柴油机连杆大端轴瓦失效分析

某柴油机为直列八缸四冲程，单机2 600 kW,该机技术成熟，性能安全可靠。从2004年出厂使用至今，已经运行近5万h，首次出现轴瓦损坏剥落现象，轴瓦及曲柄销损坏的部分情况，如图1、图2所示。

图1 连杆大端上轴瓦局部剥落

图2 曲柄销表面产生凸轮效应区

1 连杆大端轴瓦的润滑方式

连杆大端轴瓦的润滑方式采用液体动压润滑，动压润滑是由摩擦表面的几何形状相对运动，借助液体的动力作用，形成楔形液膜并产生油楔压力以平衡外载荷，在正常运转时，只要供油连续，轴颈就会被由润滑油动力作用而产生的油楔抬起，同时在轴承和轴颈之间形成一定的偏心度，轴颈所受负荷由油楔中产生的油压所平衡，动压润滑原理示意图如图3所示。

图3 动压润滑原理示意图

本船使用的是下轴瓦带油槽的连杆大端轴瓦，由图3知，此时轴瓦的受力最高点由正中间移到两侧。 四冲程柴油机的连杆有时是拉应力，有时是压应力，交替变换。在活塞从上止点(TDC)向下运动的吸气冲程，连杆的下轴瓦受力，其他3个冲程(压缩、做功、排气)都是上轴瓦受力，所以上轴瓦的疲劳强度要大于下轴瓦。而且由于活塞的运动速度是变化的，这就导致往复惯性力的存在，从TDC到下止点(BDC)的过程中，前半行程是加速运动，惯性力向上，后半行程是减速运动，惯性力向下，惯性力使曲柄连杆机构各部件和所有轴承承受周期性的附加载荷，而且惯性力方向交替变化，导致对轴瓦的冲击较大，加快轴承磨损。

2 连杆大端轴瓦的失效分析

由于连杆大端轴瓦的下轴瓦是带油槽的，而磨损的却是对应的上轴瓦，从常规理论分析可能的原因如下。

1)穴蚀，有些表面生成小孔或部分合金层脱落，多发生在油压变化较大时。

2)腐蚀，滑油中含有酸性物质，在轴瓦上产生化学反应，导致合金层脱落。

3)热疲劳，在这种情况下，铝锡合金层将会熔化，与铜分离。

因为脱落的合金层并非整个轴瓦面，而是类似于一条环带，所以以上几点基本都可以排除。而且一般的测量仪器难以测出曲柄销的磨损尺寸变化，基本变化很小，所以容易被忽视，具体分析如下。

1)曲柄销在TDC时，此时吸气冲程开始，活塞向下运动，连杆大端的下轴瓦受力，机油中的坚固悬浮颗粒物导致曲柄销(油槽两侧)严重磨损，从而产生凸轮效应区(在下轴瓦油槽所对应的区域曲柄销凸起)，如图4所示。

图4 在TDC状态下，连杆大端下轴瓦受力面

2)曲柄销在BDC(压缩、做功、排气冲程)时，活塞往上运动，上轴瓦受力，连杆大端的上轴瓦与曲柄销的接触面只有凸轮效应区，因为面积较小，这将导致应力过于集中，其后果是轴瓦的变形和合金层的脱落，如图5所示。

图5 在BDC状态下，连杆大端上轴瓦受力面

由此，连杆大端上轴瓦损坏的整个路径为下轴瓦先磨损，产生凸轮效应区，再磨损上轴瓦。

综上所述，轴瓦的磨损脱落是由于机油过脏，颗粒物过多引起的，而且颗粒物过多会延长惯性冲击的时间，更加剧了轴瓦的损坏。

3 检验凸轮效应

1)着色检查。用新的轴瓦涂兰油与曲柄销面接触的方法，观察着色状况，就可以看出曲柄销的磨损状况。

2)透光检查。 用一把双侧直角尺靠在曲柄销上，一侧用光源照射，看看对侧是否有光线露出，就可以粗略判定曲柄销的状况。

3)用树脂材料涂在曲柄销表面，再将树脂取下，通过实验室设备对树脂表面进行分析，可以得到精确的曲柄销表面的几何参数。

4 故障处理的方法

一旦发生上述轴瓦损坏严重的现象，更换轴瓦不是解决问题的根本，因为若中间凸起的环带不消除，轴瓦的中间部分受力，很快就会造成新的轴瓦继续磨损和镀层合金脱落，所以必须对曲柄销进行打磨处理，消除凸轮环带。前面分析已经提到之所以出现此类现象归根结底是机油的问题，所以我们要时刻关注所使用的机油。经常对使用的机油进行分离处理，保持机油的品质；定期按照说明书的要求保养设备，防止外界脏污物进入系统；根据运转时间定期取油样化验，时刻关注机油的状况。

此次找到了轴瓦磨损的根本原因，并进行了处理，庆幸的是曲柄销磨损不严重，只需做表面处理。轮机管理人员平时要特别关注机油的理化指标，以便达到更好地维护设备的目的。

(中海油田服务股份有限公司船舶事业部

湛江作业公司，苏玉马 供稿)