某型柴油机拉缸故障原因分析

苏军锋，马 骏，程利利，于永强

(河南柴油机重工有限责任公司，河南 洛阳 471039)

1 引言

某型发电用柴油机在工作过程中自动停机，由于故障发生时是凌晨，现场并无值班人员，经反馈后工程师到现场勘验，发现该机机体第四缸观察孔处打破，平衡块和连杆小端甩出机体。现场经初步拆检发现该机第四缸汽缸盖摇臂座紧固螺钉松脱，第四缸气缸套碎裂，第四缸活塞从活塞销孔处断裂，活塞圆周表面有严重拉痕。第四缸连杆从靠近小端处断裂，连杆杆身处弯曲变形，连杆大端紧固良好。曲轴第四档平衡块螺钉在曲臂安装面处断裂，平衡块脱落。经对该机故障可能产生的原因进行排查分析，导致柴油机损坏的原因为拉缸引起，为进一步查明拉缸故障原因，我们开展了如下分析。

2 拉缸故障原因排查

2.1 燃烧室进入异物导致拉缸的可能

故障发生后组织分析人员对故障机进行大拆，对受损的第四缸进行重点检查，该缸气门未见损伤，活塞从活塞销处断裂但活塞头部未损坏，气缸盖底部未见异常，燃烧室内较为干净，未见异物，基本可以排除燃烧室进入异物引起拉缸的可能。

2.2 活塞冷却喷嘴堵塞导致拉缸的可能

对受损的第四缸活塞冷却喷嘴进行拆检，其表面有撞击痕迹，但内部畅通未见堵塞，可以排除活塞冷却喷嘴堵塞造成活塞冷却不良引起拉缸的可能。

2.3 润滑系统失效导致拉缸的可能

2.3.1 通过查阅监控系统，故障发生前柴油机机旁控制箱检测到的滑油压力在使用范围内，且柴油机各项运行参数均正常。

2.3.2 通过对机器运动部件的拆检，各档主轴瓦、连杆瓦工作痕迹正常，除故障缸外，其余五个缸活塞和缸套工作痕迹均未见异常。

2.3.3 故障发生后拆检时，对柴油机油底壳内的滑油进行了粘度和闪点化验，油样检测结果均合格。

综合以上排查和化验分析，可以排除润滑系统失效引起拉缸的可能。

2.4 冷却系统失效导致拉缸的可能

2.4.1 通过查阅监控系统，故障发生前柴油机机旁控制箱检测到的淡水温度在使用范围内，柴油机运行参数正常。

2.4.2 通过对故障机器的进一步拆检，除受损的第四缸外，其余五个缸的活塞和缸套工作痕迹均无异常；综合以上排查分析，可以排除因冷却系统失效引起拉缸的可能。

2.5 燃油系统失效导致拉缸的可能

故障机拆检完成后，分析人员立即对该机所使用的喷油器和高压油泵进行了雾化检测和均匀度检测，未发现喷油器雾化不良和高压油泵单缸供油量偏大的现象，可以排除因燃油系统失效，造成缸套滑油稀释或异常燃烧引起拉缸的可能。

2.6 超载、超速导致拉缸的可能

对故障机从交验至故障发生前的运行记录进行详细检查，柴油机机旁控制箱检测数据显示各运行工况正常，油温、水温、排温等各项参数均处于正常范围，未发生超载、超速等异常情况，可以排除超载和超速引起拉缸的可能。

2.7 配气系统失效导致拉缸的可能

故障机拆检过程中发现，受损的第四缸气缸盖上摇臂座紧固螺钉孔开裂，紧固螺钉明显松脱。该型机摇臂座是通过紧固螺钉固定在气缸盖上，进、排气门摇臂通过摇臂轴安装在摇臂座上，摇臂轴充当了进、排气门摇臂转动的支点。拆检过程中发现第四缸气缸盖上摇臂座紧固螺钉松脱，分析可能会使推杆的作用力无法通过摇臂传递给气门，造成进、排气门一直保持关闭状态。新鲜空气无法进入燃烧室，使燃烧室内的雾状燃油无法形成可燃混合气体，雾状燃油喷到缸套内壁四周，随着喷射量的增加会逐渐稀释缸套内壁上的滑油，影响缸套与活塞间的润滑效果，往复运动时产生高温，造成拉缸。

该型柴油机为公司成熟产品，质量状况稳定，在此之前从未反馈过摇臂座紧固螺钉松脱的问题，分析人员也不敢轻易下此结论。为进一步验证拉缸原因，分析人员再次对受损的第四缸零部件进行检查。通过仔细对比，发现该缸被拉断的活塞顶面此前被认为是气门撞击痕迹与气门边缘并不重合，而是与气门阀座底孔边缘撞击的痕迹完全吻合，受损活塞顶部并未见到气门撞击的痕迹。通过此现象的发现，进一步说明活塞在被拉断时，柴油机进、排气门均处于关闭状态，而造成气门完全关闭的原因应该就是摇臂座紧固螺钉松脱。

问题原因进一步得到确认后，分析人员请相关技术人员对柴油机配气系统进行了强度计算。根据计算结果，该型柴油机配气传动机构中(含摇臂座紧固螺钉及气缸盖螺钉孔)，气门推杆相比较其它零部件强度是最低的，也就是传动机构在受到异常外力时，推杆应首先受损发生变形，而故障机拆检时，凸轮轴在第四档轴颈处受到撞击，但第四缸进、排气推杆却均未损坏发生变形，再次证明摇臂座紧固螺钉松脱是导致故障发生的根本原因，而摇臂座紧固螺钉松脱的原因就是摇臂座紧固螺钉孔事先开裂引起的。

2.8 拉缸故障原因排查结果分析

分析人员综合故障机拆检、故障前运行参数查阅、油品检验和故障件对比以及开展的相关受力计算，可以确定第四缸气缸盖摇臂座紧固螺钉孔处开裂是故障的起始位置，也是本次柴油机拉缸故障的根本起因。

3 气缸盖摇臂座紧固螺钉孔开裂原因排查

3.1 故障气缸盖受损情况

故障后对整机拆检时，打开第四缸气缸盖罩，发现气缸盖摇臂座紧固螺钉松脱，拿下摇臂座，发现气缸盖摇臂座紧固螺钉孔表面处有三道裂纹，并有一处脱落掉块。气缸盖底面未见损伤等异常现象。进气道、排气道内干净，未见油、水痕迹(见图1、图2)。对该缸气缸盖进行密封性试验，并无渗漏现象。

3.2 故障气缸盖摇臂座紧固螺钉孔检查

该气缸盖为铸造零件，铸造完成后加工螺纹孔。分析人员对断裂的第四缸气缸盖摇臂座紧固螺钉孔(M16×1.5-6H)进行检查，发现有螺纹螺牙断裂脱落的现象。螺钉孔理论螺纹深度32mm，螺钉拧紧后理论螺纹旋入深度29mm。螺钉孔螺纹损坏范围是轴向约29mm(从旋入向)，径向约连续三分之二圆周(见图3、图4)，螺钉孔脱落掉块区域未见螺纹损坏，螺牙完好，螺纹加工满足技术要求。测量第四缸气缸盖摇臂座紧固螺钉孔最小壁厚处的厚度为4.4mm，满足4.5±1.4mm的技术要求，螺纹孔处壁厚满足技术要求。

3.3 故障气缸盖材质检查

该气缸盖材料为低合金灰铸铁(210-280)，对其化学成份进行复测，均在技术要求范围内，汽缸盖材质符合要求，测量结果见表1。

表1 化学成份检测结果

3.4 故障气缸盖硬度检查

对气缸盖螺牙断裂部位进行取样，检测其硬度为189HB，在技术要求的180～230HB范围内，汽缸盖硬度符合要求。

3.5 故障气缸盖金相检验

采用OLYMPUS GX71金相显微镜观察，螺牙断裂部位为珠光体数量98%(技术要求≥90%)，石墨分布形状A型(技术要求A～B)，石墨长度4级(技术要求4～6级)，金相组织断口处与其它区域未发现明显差别，金相组织符合要求，见图5。

3.6 故障气缸盖扫描电镜检验

对气缸盖螺牙断裂部位取样，置于扫描电镜下观察，螺纹掉落处均呈外力损伤断裂形貌，未发现疏松、夹渣等缺陷，见图6、图7。

3.7 故障气缸盖生产过程排查

气缸盖生产单位对该气缸盖生产过程进行了排查，过程记录和检验记录齐全，加工过程未发现有违反工艺纪律的情况。对库存气缸盖进行探伤复查，已入库的气缸盖在压紧摇臂座螺钉孔及周围未发现有加工或铸造缺陷的情况，但故障后通过探伤复检并不能排除加工过程中组合刀具异常导致螺纹孔产生裂纹源的可能性。

为进一步排查问题原因，分析人员组织对气缸盖铸造清理和机加吊运过程中是否使用臂座紧固螺钉孔进行了排查，发现汽缸盖在铸造清理和机加吊运过程中并不使用该螺钉孔，但在柴油机装配时，装配气缸盖的吊运过程需使用此处螺钉孔。使用时将工艺吊耳的螺纹部分完全旋入摇臂座紧固螺钉孔内(旋入长度约20mm),再用天车吊运吊耳完成气缸盖装配，正常操作能够保证摇臂座紧固螺钉孔的螺纹不受损伤，但无法排除某个环节因操作不当，导致磕碰产生裂纹的可能性。

3.8 气缸盖摇臂座紧固螺钉孔处开裂原因排查分析

分析人员通过对摇臂座紧固螺钉孔开裂部位的材料成分、硬度和金相检测，零件材料满足技术要求，电镜扫描下也未发现组织疏松、夹渣等铸造缺陷，但通过对故障后零件加工和吊运过程的排查，也不能排除铸造的原始缺陷导致该部位产生裂纹，在后续加工过程中原始缺陷被加工掉而裂纹依然存在的可能；带有裂纹的气缸盖在生产加工、吊装搬运和装配使用等过程中裂纹进一步扩展，最终开裂。

4 结论

由于该机第四缸气缸盖摇臂座紧固螺钉孔存在缺陷发生开裂，摇臂座紧固螺钉松脱，造成该缸配气系统失效，燃油稀释缸套油膜，引起拉缸故障发生。随着拉缸程度的严重，活塞从活塞销孔处拉断，连杆小端运动失去约束，将缸套击碎，同时连杆小头还会对活塞底部产生撞击，活塞头部上行撞击汽缸盖。由于气门先关闭，活塞顶部仅留下气门阀座外缘撞击痕迹。缸套碎裂后，连杆小头脱离缸孔，会撞击活塞冷却喷嘴、机体观察孔和凸轮轴，随后产生较大弯曲变形又对平衡块进行撞击，平衡块紧固螺钉在较大外力作用下一次性剪切断裂，平衡块在离心力的惯性作用下甩出，甩出过程中对连杆小头进行撞击使连杆小头断裂。

气缸盖摇臂座紧固螺钉孔开裂的原因，可能是铸造过程、机加工过程、转运过程某个环节产生的。后续生产过程中严格控制零件加工及转运过程控制，此问题未再发生。