船用中速柴油机凸轮轴故障原因及分析

2022-10-30李腾腾

机电产品开发与创新 2022年5期

李腾腾

（中国海警局直属第五局，海南三亚 572000）

0 引言

当前船用柴油机技术正朝向大型化，智能化，高性能化等重要领域发展，在此基础上还着重强调船用柴油机的可靠性，经济性。船用柴油机的性能远不止仅仅体现在制造技术突破方面，对于船舶柴油机在使用过程中的科学管理方面同样是重要的环节，影响船用柴油机正常运行的故障多种多样，其中多数船用柴油机故障不及时处理大概率会出现降负载、降速、紧急停机等保护措施，直接影响航行安全。船用柴油机凸轮轴作为柴油机进排气机构、燃油供给系统的重要组成部件，本文重点讲述船用柴油机凸轮轴方面的故障处理方法以及管理措施。

1 柴油机凸轮轴定义与应用

船舶柴油机中的凸轮轴是仅次于曲轴轴系的重要基础轴类传动部件，凸轮轴的组成主要由进排气凸轮、偏心轮、支承轴颈、以及凸轮轴驱动齿轮等组成；凸轮轴主要作用是控制柴油机进气阀、排气阀的开合动作，喷油器起喷正时，以及空气分配器的驱动，附加带动调速器等其他附件的传动轮做同步运动，为燃烧室正常工作提供先决条件[1]。

2 引起船用柴油机凸轮轴系统故障的主要原因

凸轮轴故障现象主要有凸轮轴工作面点蚀、磨损、塑性变形，凸轮轴表面裂纹和凸轮轴整体弯曲变形等，而引起凸轮轴故障有多种原因，现总结归纳船用凸轮轴故障原因主要从三个重要环节进行原因分析：

第一方面是从加工制造环节和凸轮轴结构形式的选用进行分析。众所周知，凸轮，见图1，应该保证具有很高的轮廓精准度，相位角度、良好的耐磨性、工作表面较小的表面粗糙度以及足够的刚度和抗冲击能力。

图1 凸轮轴剖视图

第二方面是从安装环节进行分析，为保证凸轮轴在整个柴油机系统中能够可靠工作，安装工艺同样不可忽视，凸轮轴各配合部件要严格按照柴油机技术规格书中凸轮轴规定的装配尺寸公差来进行安装，比如：止推片调整轴向间隙；力矩扳手按标准值紧定螺栓；确保齿轮和凸轮轴锥面清洁和干燥；凸轮轴转速正时轮附件齿后的第一个齿的中心线应准确对准主转速正时传感器的中心线；安装凸轮轴时曲轴和凸轮轴正时定位销的找正方法。

第三方面是从凸轮轴日常管理进行分析，柴油机管理人员落实检查制度不到位，仅仅存在于检查燃油、滑油、冷却水、更换滤芯滤器、各油路水路阀门位置、主机系统供电等日常启机环节，对凸轮轴道门盖内部情况长时间疏于观察。所以一旦出现柴油机动力衰减伴随油耗增加因凸轮轴导致此现象时，往往更换意义大于修复。原因还有以下方面：

（1）故障原因判断失误或者仅调整气阀间隙和喷油正时后继续使用，凸轮表面长时间工作加剧磨损。

（2）在润滑系统原因的情况下，因为凸轮轴部位基本处于在整体润滑系统中较为劣势的位置，即使是进行设计的液体动压润滑机构，在启动、停车或载荷剧烈变动时，也会短时间处于局部边界摩擦状态[2]。船舶柴油机高频率启机停机，各接触面润滑条件不良，或者在冷机状态下急加速急减速，将导致顶柱滚轮与凸轮工作面产生硬性冲击，滚轮与凸轮相对接触面活动速度过高产生剧烈摩擦。有时滑油系统压力值正常，但通往凸轮轴部位的油道堵塞，润滑条件不良也会导致凸轮轴轴颈部位、凸轮与滚轮工作部位加速磨损，造成一系列尺寸公差事故产生。相对低速柴油机，中高速柴油机机长时间处于低速或者低负荷的情况下运行还会增加相应凸轮顶尖点蚀概率的发生。凸轮轴的磨损还与滑油的质量有关，磨粒磨损和腐蚀性磨损同样不可忽视，定期检测滑油质量和定期更换滑油是减小磨粒磨损和腐蚀性磨损概率发生的重要条件。因此总结出，凸轮轴的实际状态与柴油机的润滑条件、功率输出、扭矩大小和运行的柔顺性有很大的关系。

（3）人员在拆装检修时，未严格按照技术说明书进行拆装，拆装时对零件表面，轴承盖等关键部位因敲击力度过大、配合间隙不当等原因造成损伤，拆卸后的各装配式凸轮轴单元、轴承盖、紧定螺栓等部件原位置未用记号笔进行精确标注，导致搭配错乱现象。针对此类现象应采用随机专用工具，避免暴力操作，环境条件符合柴油机拆装保养要求，轻拿轻放，各部件并做好标识，按原位置、原尺寸、原材质、原安装工艺依次组装。

第四方面是从凸轮轴控制的随动部件进行分析，与凸轮轴相关联的部件故障往往也是影响凸轮轴故障的原因，凸轮轴在进排气系统中，随着凸轮轴的转动，凸轮轴上的顶尖致使顶柱上下移动，进而导致推杆移动摇臂，摇臂的移动使得气门桥控制两个气门开启和燃油系统中喷油器的启喷，见图2。

例如：卡特C280 船用发动机规定每8000 个工作小时数或三年检查一次凸轮轴滚轮随动件，重点检查下列部件在每个金属与金属接触部位有无磨损：①气门顶杆的滚柱；②凸轮轴：检查每个滚柱有无磨损、移动是否过度以及有无轴向间隙。如果发现过度磨损或其他老化的迹象，更换损坏的零部件[3]。

由此可以看出，当进排气系统中顶柱、摇臂、气门桥、气阀和燃油系统中喷油器等部件因不同原因导致运行阻力、摩擦力矩过大或者出现卡死现象时，引起凸轮轴故障的可能性也会大大增加。

3 船用柴油机凸轮轴故障案例分析

通过对凸轮轴在柴油机系统的定义可以得知凸轮轴故障后往往会引起柴油机运行过程中各种连锁故障现象产生，因此，进排气机构各从动机构故障也同样与凸轮轴相互制约，较轻的会引起动力衰减而油耗增加现象，较重的甚至会造成整个凸轮轴传动机构卡死，正时齿轮崩齿现象，不及时处理甚至会对柴油机整个系统造成严重损害，现对经历的真实案例进行分析。

3.1 故障现象

在高速航行期间出现主机集控台报警，显示左主机第七缸传感器后排气温度偏差高报警，该缸传感器检测的工作温度明显低于左主机各缸后排气平均温度125℃以上，气缸检测温度情况按报警信息推断属于明显异常，并且机旁目测检查和听觉检查未发现该缸明显异响声或异常振动，在机旁查看期间又相继出现金属颗粒报警，请示停机后，检查金属颗粒探测器电极板未发现明显金属颗粒，用专用工具测量排除并非因温度传感器造成的温度异常，并且通过专用工具调整气阀间隙和校正喷油器正时故障现象仍未消除，但在排查至凸轮轴部位，当打开凸轮轴道门盖时发现明显异常，后续也相继配合技术人员拆检进行气缸缸头检查，气阀阀盘与阀座、缸套活塞头部燃烧痕迹及表面磨损情况均无异常，发现以下问题：

（1）喷油器正时凸轮顶尖部位磨损严重，不同角度可以看出磨损面已呈明显台阶状，见图3。

图3 喷油器正时凸轮

（2）排气阀凸轮表面不同程度出现片状金属脱落现象，见图4。

图4 排气阀凸轮

（3）喷油器顶柱顶头滚轮表面金属脱落严重，铜制滚轮轴磨损严重呈塑性变形状态，图5 白色方框区域，滚轮转动角度后，上下间隙浮动明显。

图5 喷油器顶柱顶头滚轮

（4）进气阀顶柱铜制滚轮轴（图6）位移，挤压式塑性变形。

图6 进气阀顶柱

（5）各顶柱在工作时因滚轮基座部位相对位移硬性冲击的造成不同程度的损伤，见图7、图8。

图7 喷油器顶柱

图8 排气阀顶柱

（6）喷油器在返厂台架释压实验时，检测出偶发性卡滞现象，拆解后发现为柱塞偶件表面与套筒表面拉毛导致故障现象，图9 为目前常用的典型电控单体式喷油器。

图9 电控单体式喷油器

3.2 故障原因分析及排除方式方法

通过系统的查找问题和对上述损伤部件的分析，推断为喷油器柱塞偶件问题，如柱塞偶件多次卡滞在上止点，首先导致控制喷油器的挺杆滚轮在短时间内便与凸轮表面硬性冲击导致挤压塑性变形，同时柴油机在继续运行的过程中两接触表面加剧磨损，而喷油器顶柱铜制滚轮轴变形量较大，在喷油器顶柱滚轮的推动作用下不规则跳动，喷油器顶柱滚轮基座又与进排气顶柱滚轮基座之间间隙较小，造成三者间滚轮基座相互冲击，硬性冲击对高副点或者线接触点的运动副损伤程度不言而喻，从图7 可以发现此现象，由于喷油器柱塞偶件卡滞故障直接原因而造成进排气阀顶柱运行异常，进气阀顶柱铜制滚轮轴移位，间接导致进排气阀凸轮表面也相继损伤。

3.3 处理措施

由于上述部件非正常损伤较为严重，已出现热处理接触面呈片状金属脱落和塑性变形情况，测量凸轮的高度尺寸和升程尺寸远低于标准值，修复意义小于更换意义。通过采取对该缸喷油器、进排气阀顶柱更换和该缸分段凸轮轴总成的更换；修复各凸轮轴随动件的轴承受损情况；由于磨损导致的部分铁屑进入润滑系统，进而对整个主机滑油油路进行加压清洗，油底壳清洁，滑油更换等必要维修保养措施，启动检试后交付使用，经过后期跟踪该柴油机在使用过程中未出现此类故障。通过对针对本项典型案例的分析，找到凸轮轴损伤的根本原因才是处理问题根本要务，防止治标不治本故障再次出现。

4 船用柴油机凸轮轴磨损数据分析

经查阅摩擦学原理相关资料，结合上述案例中以凸轮轴滚轮从动件结构形式的测量计算，可基本判定，通过测量计算手段能准确掌握凸轮轴系统的磨损状况，可有效预防因凸轮轴引发的柴油机故障。

凸轮轴的耐磨性主要与凸轮轴和顶柱滚轮制造所用的材料以及使用过程中的润滑条件有直接关系。经查证相关试验，组成摩擦副之间的两接触面的接触面积并非能达到100%状态，相反大部分只是微凸体之间相接触，凸轮和顶柱滚轮通过精磨两者之间高副线接触可达到理想状态下30%～50%，但通过研磨或者珩磨过的表面可高达90%～97%[4]。在凸轮与顶柱滚轮相对滑动期间磨损过程是渐近性的，可将其分为三个阶段：起始磨损阶段、正常磨损阶段、快速磨损阶段[4]，见图10。

图10 零件的磨损情况

均已精磨状态下接触面为计算基点相对直观，建议使用船用船修通用“黏着磨损”[5]。采用目前在国内外比较认可的Archerd 黏着磨损定律，首先介绍黏着磨损的定义，按照不同磨损机理磨损的主要形式有四种，分别为磨粒磨损、黏着磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损，其中黏着磨损是是由于两摩擦物体在法向力和切向力的联合作用下，产生金属与金属的直接接触和塑性变形，从而经历黏着（冷焊）、剪切撕脱和再黏着的循环过程。以黏着磨损形式进行分析也相对符合凸轮轴磨损的研究方向。

演算出单位滑动距离的磨损量为[6]：

式中：K—产生球体磨屑的概率简称（磨损系数）；H—摩擦副中较软材料的硬度；P—总载荷（法向载荷）；V—磨损体积；s—滑动距离。

上述公式表明，材料的磨损量大小与承受载荷和接触滑动距离成正比，与摩擦副总的软材料屈服极限强度或者材料硬度成反比，硬度越高磨损量越小。其中摩擦系数K 可以按照组成摩擦副之间不同的材料和磨损形式求得。

上述推算公式，是把组成摩擦副材料特性（比如材料的硬度和极限屈服强度）与磨损量有机结合起来，推断出摩擦副在相对位移动作周期内的理论磨损量，因为材料的硬度和极限屈服强度在国家技术标准规范和专业文献中容易查找，或者用专用设备进行检测也可以测量得到两者精确的数据，为设计人员和滚-滑机构形式管理人员提供必要的理论借鉴。所以选用Archerd 黏着磨损定律作为滚-滑摩擦副工程实用性占较高优势。

5 船用柴油机凸轮轴损伤后处理措施

船用柴油机凸轮轴在任何情况下发现非正常磨损现象后，都应采取应急措施，及时进行停机维护，防止故障范围进一步扩大，目前船用凸轮轴常见的处理措施主要分为两种：①视情进行损伤修复；②整体更换。而上述两种情况的处理依据主要是根据凸轮测量的实际数据与凸轮磨损标准极限值作出的对比值来确定。

凸轮轴的修复工作应该在拆离机体后进行，应选用施工环境良好的场地、专业素质较好的人员、合适的专用工具和设备。

当处理凸轮轴弯曲变形损伤现象时，在所用柴油机机型技术说明书规定的极限值与标准值内弯曲度范围内偏差较大的，可以采用冷压校正的方法进行修复，修复过程中应进行时效处理，尽量消除应力集中对凸轮轴强度造成的影响，校正后进行磁粉探伤试验，尤其在中高速柴油机型的凸轮和轴颈表面一般不允许出现超过5mm 的轴向裂痕，如果弯曲度超过规定的极限值，建议更换，因为在尺寸较大下强行校正凸轮轴可能引起结构强度较低，产生裂痕，不符合使用性能。

当处理凸轮升程高度正常磨损现象时，凸轮升程高度减少量在极限值与标准值范围内，可采用专用凸轮轴磨床进行修磨，保证尺寸精度的同时还要注意韧磨表面的粗糙度和光洁度；也可采用堆焊、表面喷涂和刷镀等工艺进行修复，这两种修复方案均可采用。但是在凸轮轴表面硬质合金出现点蚀、片状金属脱落、塑性变形等非正常磨损现象时，应直接更换凸轮轴，这几种现象也会作为凸轮轴的失效形式来看待，大概率会伤及凸轮轴工作面的硬度和影响白口层的深度，达不到使用要求或者在使用过程中留下隐患。

当处理腐蚀性磨损和磨粒磨损形式时，凸轮轴在采取表面修复或更换凸轮轴的措施后，还应重点检查柴油机系统滑油质量，必要时将柴油机系统滑油换新。

一般对在海上长期航行的船舶，建议配备装配式凸轮轴单元总成较为妥当，海上修复相对困难，对修复环境、场地和专用工具设备、人员专业素质要求较高；整体式凸轮轴总成对保存要求较高，拆装不便等原因可以视情随船备便。

海上航行期间，由凸轮轴变形或磨损造成柴油机单缸或非相邻两缸的严重故障，现有条件无法修复时，为防止扩大柴油机故障范围，可以视情采取封缸运行的紧急措施，但需要控制柴油机负荷，一般采取不超过0.55倍额定转速运行，人员加强监测柴油机各运行中参数的变化。