某型柴油机连杆瓦与曲柄销异常磨损故障原因分析

刘建良，朱群伟，温燕星

(1.海装广州局，广东 广州 520020；2.湛江海滨船厂，广东 湛江 524005)

某型柴油机在维修过程中多次出现过连杆瓦及曲柄销异常磨损的故障。本文主要对该型柴油机在试机磨合过程中发生的故障进行详细分析，并针对如何避免类似故障再次发生提出几点看法。

1 故障现象

某型推进柴油机按照试验大纲完成系泊试验后，依计划出港进行航行试验。该柴油机分别以450 r/min、520 r/min的转速进行磨合试验，2种工况运转时间均为1 h，随后加速到560 r/min。在此过程中，主机各项参数及试验情况均正常。

柴油机在560 r/min工况下运转10 min时，参试人员发现，柴油机B排出现间歇性轻微敲缸，分析可能是喷油器滴油引起后燃烧或是修后共振转速改变导致气缸敲击，需进一步观察。560 r/min工况下运转30 min后，柴油机转速升至650 r/min，B排仍存在轻微敲缸，现场客户代表立即要求停机检查。

2 故障后柴油机拆检情况

2.1 试航时拆检情况

柴油机停机后，对该柴油机进行现场拆检，情况如下：①拆检曲轴箱旁盖，A5、B5缸曲轴箱内有大量金属碎屑；②拆检A5、B5缸，连杆瓦已严重磨损，白合金层全部剥落，钢体被压扁外露约15 mm并卷边，瓦背有明显的周向磨痕；曲柄销严重磨损，中间有明显凸肩；③拆检喷油器，发现B5缸喷油器喷嘴有滴油现象；④拆检滑油滤器，发现磁性滤器附着有大量金属碎屑。

2.2 返港后拆检情况

返港后对该柴油机进行全面拆检，情况如下。

1) 对A5、B5缸的曲柄销进行检测，发现磨损最严重部位约磨去2.2 mm；对曲柄销进行磁粉探伤检测，发现其表面有20余条纵向裂纹，最短的约10 mm，最长的贯穿整个曲柄销。

2) 对A5、B5缸连杆进行拆检，发现连杆大端齿面正常，大端轴窝有明显的周向磨痕，大端轴窝超标。

3) A5、B5缸连杆瓦受损严重，已无法看清轴瓦上的钢印。现场检查其他缸连杆瓦安装情况，发现A1、A2、A4、A6缸连杆瓦存在上下瓦对接不平齐情况，最大不平齐量约0.30 mm(说明书要求不得超过0.50 mm)；拆检其余10缸的连杆瓦，发现除A2、B4缸轴瓦白合金有局部磨痕外，其他8缸完好。

4) 检查A5、B5缸活塞，发现裙部有拉痕，活塞环外观良好；检测A5、B5活塞销，其外观和尺寸正常。

5) 检查A5、B5缸气缸套，其内壁有拉痕。

3 故障原因分析

根据该柴油机A5缸和B5缸连杆瓦白合金层完全损坏剥落、曲柄销轴径磨损的故障现象，认为故障的直接原因是A5、B5缸其中一个的连杆瓦与曲柄销局部发生干摩擦，或摩擦产生的热量无法及时传递，连杆瓦白合金烧熔并与曲柄销黏滞磨损，或定位唇被磨损，导致轴瓦走外圆。同时，轴瓦外圆干摩擦产生的高温达到金属的塑性变形点后，在周期性的燃烧爆发压力和曲轴甩力下，轴瓦被挤扁，边缘受到曲柄臂的阻挡而卷边。

A5、B5缸连杆瓦处于同一道曲轴销，其中一个发生故障，压扁的轴瓦挤压另一缸连杆，另一缸连杆也发生同样的故障。轴瓦走外圆，间歇性地封堵了供往活塞的滑油，使活塞发生拉缸。

初步判断导致A5、B5缸连杆瓦及曲柄销异常磨损的原因，有以下几方面可能。

1)异常颗粒进入连杆瓦，导致润滑不良。滤器后的滑油系统管道有异常颗粒，启动滑油系统，颗粒进入曲轴，流进主轴瓦和连杆瓦等摩擦副，由于摩擦副间隙小，接连发生磨粒磨损和黏着磨损，继而发生故障。

检查其余的10缸连杆瓦，除A2、B4缸轴瓦白合金有局部磨痕外，其他8缸完好，无明显的磨粒拉痕，说明润滑油的品质良好及滤器正常。因此，基本排除了异常颗粒进入连杆瓦的因素。

2)连杆瓦安装不良，导致曲柄销与连杆瓦运行时出现冲击或者导致润滑不良。

检查修理记录，连杆瓦与曲柄销的配合间隙、曲柄销和连杆瓦内孔的圆度、安装时螺栓的紧固力、上下瓦对接等数据符合标准要求。故障后检查各缸连杆紧固螺栓刻度记号无位移，说明螺栓的预紧力符合要求，无松动现象；连杆上下瓦对齐偏差未超过0.50 mm，故排除连杆瓦安装不良的因素。

3)连杆平行度、扭曲度超标。连杆大端轴承中线与连杆小头衬套中线的平行度、扭曲度超标，导致活塞在气缸中不是直线运动而是歪斜运动，活塞受力通过连杆无法作用在曲柄销中线上，使连杆瓦局部受力，且在高负荷下润滑不良，容易发生异常磨损故障。

检查活塞连杆的修理记录，平行度、扭曲度符合标准要求，排除了连杆平行度、扭曲度超标的因素。

4) 连杆瓦瓦背与连杆瓦座孔贴合不良。曲轴不同旋转角度下的曲柄销示意图如图1所示，曲轴不同旋转角度下的连杆瓦与曲柄销相对运动示意图如图2所示。曲轴在-90°→90°之间旋转运动为柴油机的排气冲程，曲柄销推动活塞连杆组向上运动，曲柄销与连杆瓦上瓦接触；曲轴在90°→270°之间旋转运动为吸气冲程，曲柄销推动活塞连杆组向下运动，曲柄销与连杆瓦下瓦接触；曲轴在270°→450°之间旋转运动为压缩冲程，曲柄销克服气缸内的压缩压力带动活塞连杆组向上运动，曲柄销与连杆瓦上瓦接触；曲轴在450°→630°(-90°)之间旋转运动为膨胀冲程，活塞连杆组受燃气压力作用，推动曲柄销旋转，曲柄销与连杆瓦上瓦接触。

图1 曲轴不同旋转角度下的曲柄销示意图

图2 曲轴不同旋转角度下的连杆瓦与曲柄销相对运动示意图

根据上述分析，在一个工作周期内，曲柄销与连杆瓦上瓦接触时间占用了3/4。根据图1、图2，在柴油机压缩冲程和膨胀冲程中，曲柄销与连杆瓦上瓦受力最大，摩擦产生的热量也集中，特别是曲柄销旋转至上止点时，此时曲柄销滑油孔口离连杆瓦上瓦顶部最远，曲柄销与连杆瓦上瓦贴合，形成的间隙小，油膜最薄，摩擦系数最大。

曲柄销与连杆瓦摩擦产生的热量，主要通过滑油对流和轴瓦、连杆大端与空气对流散走。在柴油机压缩冲程和膨胀冲程之间，以及在活塞上止点，曲柄销与连杆瓦摩擦产生的热量无法有效通过滑油对流散走，故连杆瓦与连杆瓦座孔的贴合面积将影响两者摩擦热量能否有效传递出去。

因连杆瓦是薄壁轴瓦，轴瓦外径尺寸比轴瓦座孔内径尺寸轻微偏大，才能保证轴瓦在座孔内不易松脱，但薄壁钢片容易受力变形，使连杆瓦与连杆瓦座孔贴合度不良。该柴油机首次修理时，曾发现所有连杆瓦、主轴瓦瓦背部均存在不同程度的摩擦、腐蚀发暗痕迹，大部分轴瓦背部渗入滑油，积碳面积超过75%，且分布不均匀。当时认定故障可能原因是轴瓦瓦背与轴承座孔贴合不良，主机运行时轴瓦会产生微量变形，其与结合面之间产生微量间隙，使滑油渗入瓦背与结合面之间，运动产生的热量散发受阻，在高温环境下引起发黑和微动磨损。

因该柴油机连杆瓦巴氏合金划痕、瓦背发黑等原因，本次修理全部换为原装进口的新轴瓦。装配过程中按工艺要求对连杆轴窝的内孔尺寸进行测量，数据符合标准要求；对轴瓦与轴窝贴合情况进行着色检查，未发现异常，但不排除个别轴瓦按工艺上紧后，连杆瓦发生了变形，导致连杆瓦瓦背脱离轴瓦座孔。若个别轴瓦张口尺寸稍微偏差，与轴瓦座孔过盈度不足，运转过程中连杆瓦发生窜动，与曲柄销配合间隙发生变化，滑油流量减小，破坏了油膜层，造成干摩擦，引起连杆瓦镀层局部脱落，进一步导致连杆瓦与曲柄销严重磨损，发生故障。

综上所述，该柴油机A5或B5缸连杆瓦与曲柄销异常磨损的主要原因是连杆瓦与连杆瓦座孔在动态运行环境下贴合不良。

4 避免故障发生的措施

1)重新识别关键工序列入检验项目进行控制。客户代表机构和承修单位要根据所承接修理的装备现阶段使用情况以及前期同型设备发生的故障情况，重新对修理过程中的关键工序进行识别，并将关键工序列入到检验项目进行严格控制，消除修理过程中可能出现的薄弱环节。针对该型柴油机：①检测所有连杆轴窝的加工精度，确保尺寸、圆度等符合要求，并列为关键工序/检验项目进行控制；②检查连杆瓦与座孔贴合情况是否符合要求，并列为关键工序/检验项目进行控制；③按力矩要求拧紧连杆螺栓，检查上下瓦对齐偏差是否符合要求，并列为关键工序/检验项目进行控制。

2)辩证合理把握标准规范中的不合理条款。近年来，多数装备的零部件逐步实现国产化，在国产化的过程中或因装备型号逐渐改进，部分零部件原设计状态发生了变更，但相关标准规范及技术资料未能及时更新。此时则需加强与原生产厂家和相关技术责任单位的沟通，综合各方意见，明确要求。

标准规范中要求该型柴油机进行转速为950 r/min、时间为30 min的空载试验，并尽可能进一步进行转速为1 050 r/min、时间为20 min的空载试验。由于该型柴油机连杆瓦为薄壁瓦，柴油机在高速低负荷运转时连杆瓦会产生高频振动，不利于轴瓦与轴窝的贴合，易发生故障。在与柴油机厂家就空载试验程序沟通探讨后，明确了柴油机磨合试验程序中不宜采用过高转速，空载试验最高转速应为800 r/min、时间为30 min。

3)完善修理工艺，对维修人员进行工艺交底。同样的，随着装备零部件国产化以及装备型号的逐渐改进，施工要素和施工要求也在不断变化，承修单位要通过各方渠道不断完善修理工艺。此外，修船厂维修人员老龄化，技术能力也相对较为薄弱，要加强对施工人员的工艺交底培训学习，破除惟“经验论”的做法，提高职工的技术水平。同时要加强对修理过程中维修记录的检查，促使维修人员严格按照修理工艺进行施工。

4)提高维修人员工作责任心和风险分析能力。承修单位要对职工(特别是施工人员)进行经常性工作质量、安全意识的教育，提高职工的工作责任心和风险分析能力。