1連桿大端軸瓦抱軸事故

最近幾年,某公司多艘船齡在10年以上的不同品牌的500r/min定速四沖程柴油主機(jī)，都發(fā)生過類似的連桿大端軸承軸瓦抱軸事故。

這些事故均發(fā)生在:

·船齡較大(10年以上)；

·變距槳定速主機(jī)加速到額定轉(zhuǎn)速后不久。

事故損失巨大。例如某輪,變距槳定速主機(jī)啟動,達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后不久,曲拐箱油霧濃度報(bào)警裝置報(bào)警,停車檢查,見某缸連桿大端軸承軸瓦抱軸,只能卸貨進(jìn)廠修理。此外,事故還帶來包括降低主機(jī)輸出功率(研磨軸頸導(dǎo)致直徑減小)、重復(fù)裝卸貨、損害班輪信譽(yù)等間接損失。

各主機(jī)生產(chǎn)廠家的有關(guān)專家診斷和分析,提出了許多不同建議。

主機(jī)生產(chǎn)廠家人員一般認(rèn)為主要原因是軸瓦使用時間超過5萬小時而磨損和變形,使得軸瓦溫度不均勻且散熱性能差,導(dǎo)致個別點(diǎn)凸起引起粘著摩擦,不得不更新主機(jī)全部連桿大端軸瓦和主軸瓦。

這里,分析四沖程柴油機(jī)連桿大端軸承(以下簡稱軸承)軸瓦抱軸事故的原因和機(jī)理以及防范措施,水平有限,敬請指教。

2原因思考

2.1軸承變形

圖1是活塞連桿機(jī)構(gòu)作用力分析示意圖。

曲柄銷受力F,可分解為推動曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的切向分力B以及與切相分離垂直的法向分力C。

法向分力C的大小和方向隨曲柄轉(zhuǎn)動周期性變化,而且軸承與曲柄銷之間存在間隙,所以曲柄銷會與軸承的剖分處相互撞擊。長期撞擊，磨損軸瓦和軸承殼,使軸承殼內(nèi)孔變?yōu)闄E圓形,即圖2所示的A變大。

圖2所示的A變大,是抱軸事故的根本原因。

2.2軸瓦

軸承內(nèi)孔變形為橢圓形,導(dǎo)致軸瓦松動:

·橢圓形軸承內(nèi)孔曲率不均勻,軸瓦無法緊貼軸承內(nèi)孔,造成曲柄銷、軸瓦和軸承三者之間敲擊磨損。

·橢圓形軸承內(nèi)孔徑向長度大于軸瓦背部徑向長度,致使軸瓦背部不能緊貼軸承內(nèi)孔,嚴(yán)重時甚至軸瓦與軸承有相對轉(zhuǎn)動，造成軸瓦和軸承的移動磨損。

敲擊磨損和移動磨損，都導(dǎo)致曲柄銷、軸瓦與軸承之間的間隙進(jìn)一步加大，磨損進(jìn)一步加劇。

2.3潤滑

目前柴油機(jī)都采用強(qiáng)力潤滑方式,即依靠滑油壓力和軸的轉(zhuǎn)動形成連續(xù)油膜,隔離摩擦面,承載壓力,減少磨損。強(qiáng)力潤滑需要足夠的滑油和一定的轉(zhuǎn)速。

軸承內(nèi)孔變?yōu)闄E圓形,軸承剖分處(圖2中的A)間隙增大,滑油漏泄,破壞油膜,摩擦加劇,磨損增加,過熱燒融,是連桿大端軸承軸瓦抱軸的關(guān)鍵。

2.4事故機(jī)理

2.4.1前提

曲柄銷與軸承剖分處的撞擊,使軸承內(nèi)孔變?yōu)闄E圓形(圖2中的A變大),需要相當(dāng)長時間。所以,船齡大、設(shè)備老化的船舶易發(fā)生這類事故。

但是,能完成事故前的航次及其進(jìn)港機(jī)動航行,證明軸承內(nèi)孔變形的漏油還沒有嚴(yán)重到不能建立潤滑油膜的程度,滑油壓力得以保持就是明證。

軸承內(nèi)孔變形的漏油還沒有嚴(yán)重到不能建立潤滑油膜的程度,是本文討論的軸瓦抱軸事故的前提。

2.4.2定速主機(jī)啟動到額定轉(zhuǎn)速的幾個階段

為什么主機(jī)可以保證事故前的航次及其進(jìn)港機(jī)動航行,而啟動加速到額定轉(zhuǎn)速后不久發(fā)生事故呢？有必要分析啟動和加速過程軸承的潤滑情況。

定速主機(jī),啟動后不長時間即以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

強(qiáng)力潤滑的機(jī)理,是依靠滑油壓力和軸的轉(zhuǎn)動形成連續(xù)油膜。

(1)暖機(jī)階段

軸承受力(F)為零,轉(zhuǎn)速為零。

暖機(jī)時已啟動主機(jī)滑油泵,由于軸承內(nèi)孔變形的漏油還不是很嚴(yán)重滑油壓力得以建立。

但是,軸承和曲柄銷處于靜止?fàn)顟B(tài):

·沒有轉(zhuǎn)動不可能建立油膜；而且

·滑油不會進(jìn)入軸承緊貼曲柄銷的部位。

說明書要求暖機(jī)時主機(jī)盤車,就是希望滑油進(jìn)入軸承緊貼曲柄銷的部位。

(2)啟動階段

因?yàn)樾杩朔o摩擦力軸承受力大于低速運(yùn)轉(zhuǎn)和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),且負(fù)荷增加得快。

軸承與曲柄銷處于邊界潤滑狀態(tài)即有潤滑油的接觸摩擦,摩擦劇烈,磨損和發(fā)熱嚴(yán)重。但持續(xù)時間短,且設(shè)計(jì)時已考慮這種情況,即使軸瓦輕微損傷,一般也不會成為故障。熱量和摩擦產(chǎn)生的微粒,有待于隨后低速運(yùn)轉(zhuǎn)時被滑油帶走。

軸承與曲柄銷接觸面的油膜尚未建立,與軸承內(nèi)孔變形關(guān)系不大。

為防嚴(yán)重軸瓦損傷,應(yīng)謹(jǐn)慎操作:

·啟動油門不可過大即防止軸承受力過大；

·油氣并進(jìn)時間不可過長。

(3)低速運(yùn)轉(zhuǎn)階段

此時軸承受力最小。

油壓和轉(zhuǎn)速使油膜得以建立,形成強(qiáng)力潤滑。為防止損傷軸瓦說明書通常都規(guī)定低速運(yùn)轉(zhuǎn)階段的時間應(yīng)足夠長,因?yàn)?

·軸承受力小,潤滑效果較好,使軸承油膜有一段調(diào)整時間；

·需要滑油帶走啟動階段軸承產(chǎn)生的熱量和磨損微粒。

但對于軸承殼變形滑油漏泄的柴油機(jī),轉(zhuǎn)速低則可能不形成油膜導(dǎo)致有潤滑油的接觸摩擦,也可能油膜時斷(油膜潤滑)時續(xù)(有潤滑油的接觸摩擦),磨損嚴(yán)重,不僅不能帶走啟動階段軸承產(chǎn)生的熱量和磨損微粒,而且還會增多熱量和磨損微粒,最好略提高轉(zhuǎn)速,縮短時間。

(4)加速階段

隨主機(jī)轉(zhuǎn)速增加,油膜承壓能力也逐漸提高,軸承受力逐漸加大。

為防止油膜承壓能力的提高眼不上軸承受力的加大,損傷軸瓦,說明書通常都規(guī)定啟動后加速過程時間應(yīng)足夠長。因?yàn)橹鳈C(jī)加速過快,軸承受力突然大幅增加,會損傷軸瓦。

(5)額定轉(zhuǎn)速(空載即螺距為零)階段

主機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,軸承受力不高(空載),軸頸表面線速度(相對軸承)最高,潤滑油膜穩(wěn)定。

所以,額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)轉(zhuǎn)最不應(yīng)該發(fā)生軸瓦過度磨損抱軸事故。實(shí)際發(fā)生的軸瓦抱軸事故,只能是前幾個階段的軸瓦損傷,到了額定轉(zhuǎn)速階段,軸頸表面線速度高,持續(xù)時間(相對前幾個階段)長,磨損加劇,軸瓦損傷進(jìn)一步擴(kuò)大所造成的。

2.5結(jié)論

綜觀從暖機(jī)、啟動到額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)轉(zhuǎn)的五個階段,對于連桿大端軸承內(nèi)孔變形(漏油還沒有嚴(yán)重到不能建立潤滑油膜的程度)的主機(jī),啟動加速到額定轉(zhuǎn)速后不久就發(fā)生軸瓦抱軸事故,可能的原因有:

·暖機(jī)時,主機(jī)未充分盤車；

·啟動時,油門過大,和/或油氣并進(jìn)時間過長；

·低速運(yùn)轉(zhuǎn)階段,轉(zhuǎn)速過低和/或時間過長；

·加速過快。

以上四項(xiàng)(尤其是后三項(xiàng)),沒做到某一項(xiàng)都可能損傷軸瓦；沒做到數(shù)項(xiàng),軸瓦損傷加劇且得不到自行修復(fù),就可能在啟動加速到額定轉(zhuǎn)速后不久發(fā)生軸瓦抱軸事故。

3防范建議

3.1規(guī)范操作

鑒于上述分析,主機(jī)操縱,在說明書規(guī)定范圍內(nèi):

·暖機(jī)時,尤其是啟動前,充分盤車；

·啟動時,油門宜小,油氣并進(jìn)時間宜短；

·低速運(yùn)轉(zhuǎn)階段,轉(zhuǎn)速應(yīng)略高,時間不宜過長；

·主機(jī)加速,不宜過快。

·運(yùn)行中,嚴(yán)密監(jiān)視主機(jī)滑油壓力,及時發(fā)現(xiàn)滑油壓力降低并查明原因。

滑油因軸承內(nèi)孔變形而漏泄的事故先兆是油壓降低,但這只是理論上。漏油還沒有嚴(yán)重到不能建立潤滑油膜的程度,亦即軸承內(nèi)孔變形還沒有大到油壓明顯降低的程度,很難發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。

3.2預(yù)防檢修,及時更換超標(biāo)軸承和螺栓

(1)軸承

定期(不大于說明書規(guī)定時間間隔)檢查軸承殼外觀,測量孔徑,分析測量結(jié)果,及時發(fā)現(xiàn)軸承殼損傷,包括裂紋、內(nèi)孔表面較大面積凹陷和任何凸起、兩半軸承殼結(jié)合面不平整和摩擦痕跡、變形超標(biāo)等。

測量方法:

①拆出連桿,卸除軸瓦,清潔軸承殼；

②裝復(fù)軸承殼,按規(guī)定預(yù)緊力上緊螺栓；

③在軸承孔軸線方向均分的至少三個面上,分別沿連桿中心線方向、與連桿中心線左右成60°和接近90°等五個方向,測量至少共15個數(shù)據(jù)。

一旦發(fā)現(xiàn)軸承殼損傷或變形超標(biāo),盡早更換。

(2)軸瓦,及其與軸承殼、曲柄銷的配合

定期(不大于說明書規(guī)定時間間隔)測量和分析軸承內(nèi)徑以及軸瓦與軸承殼過盈壓隙，及時發(fā)現(xiàn)軸瓦變形超標(biāo)。

測量方法:

①拆出連桿,解體軸承,清潔；

②裝復(fù)軸瓦和軸承,按規(guī)定預(yù)緊力上緊螺栓；

③在軸承孔軸線方向均分的至少三個面上,沿連桿中心線方向、與連桿中心線左右分別成60°和接近90°等五個方向,測量至少共15個數(shù)據(jù)；

④松開螺栓螺帽,測量軸瓦過盈壓隙,即軸瓦外圓面與軸承殼內(nèi)圓面之間的間隙。

一旦發(fā)現(xiàn)軸瓦變形超標(biāo)(對于薄壁軸瓦,軸瓦過盈壓隙標(biāo)準(zhǔn)是曲柄銷直徑的0.0008～0.0018),盡早查明原因并消除。

綜合分析此測量結(jié)果及曲柄銷直徑測量結(jié)果,可得到曲柄銷與軸承的間隙。

發(fā)現(xiàn)軸瓦損傷,及時換新,包括:

·合金開裂或剝落；

·外圓面有摩擦磨損跡象；

·外圓面有凹陷其面積超過總表面積的10%；

·外圓面與軸承殼接觸面積少于90%；

·內(nèi)圓面與軸頸接觸弧度少于140度；

·內(nèi)圓面與軸頸接觸面積低于90%；

·軸瓦過盈壓隙超標(biāo),等。

(3)主機(jī)曲拐箱油霧濃度報(bào)警裝置

定期(不大于說明書規(guī)定時間間隔)檢查和試驗(yàn),確保其技術(shù)狀況良好,有效。

(4)其他

拆檢還應(yīng)當(dāng)注意:

·曲柄銷,定期測量不圓度(橢圓)、不柱度(錐度)和直徑尺度,確認(rèn)不超過說明書規(guī)定值,還要注意磨損引起的軸向凹凸(直徑變化)。

·固緊螺栓,定期測量直徑永久變形量和長度(如有可能最好測量螺栓的直線性度和彈性性能),均不應(yīng)超出說明書的規(guī)定，最好測量螺栓伸長量；

·使用扭力或液壓壓力扳手,預(yù)緊力符合說明書規(guī)定。

作者：張洪  來源：航海技術(shù)