关于柴油机轴瓦失效故障的分析

关于柴油机轴瓦失效故障的分析

1调湿机务段检验路径如果发动机损坏或损坏，则会造成许多严重的后果和经济损失。在铁路跨越式发展、高节奏运行的今天,机车的质量是保证铁路运输安全畅通的根本。机务段扼制、消灭轴瓦失效故障是柴油机检修工作的重要质量课题,是规避重大经济损失和机车大返工修的正确出路。本文着重关注现场检修中,对轴瓦故障分析时常常被忽略,看似不起眼但具体实践中却非常重要的一些边缘环节,为大幅削减轴瓦失效故障抛砖引玉。2轴颈和轴瓦间有间隙在机务段,柴油机发生轴瓦失效故障的常见类型有:磨损、擦伤、疲劳等几个方面。在机车检修、运行过程中为什么会发生轴瓦失效故障?特别是一些中修机车,柴油机机体及相关部件检修、检测均属正常的情况下仍然发生轴瓦失效故障。DF4DF8机车柴油机主轴瓦、连杆瓦均采用径向滑动轴承,轴瓦之间由机油油膜分隔,零件表面是液体摩擦。关键在于轴瓦间要始终形成油楔,建立油膜。建立油膜的三个基本条件是:机油黏度、轴承间隙(游隙)、相对速度。轴颈和轴瓦之间油膜的形成过程如图1所示。油膜厚度必须大于轴颈和轴瓦工作表面的不平度、锥度和椭圆度三者之和。图1(a)所示是轴颈在轴瓦中处于静止时的位置,由于轴颈和轴瓦之间有间隙,这时,轴颈和轴瓦的接触点在A点。如果在轴颈和轴瓦之间连续不断地充机油,则当轴颈按图1(b)中所示箭头的方向转动时,机油在轴颈左下方和轴瓦的间隙中便可形成油楔。由于机油具有黏性,粘在轴颈表面上的机油被带着一起转动,当转动到轴颈和轴瓦的接触点时,机油受到阻碍,于是机油在轴颈和轴瓦间产生很大的挤压压力;当轴颈的转速达到一定值时,会产生足够的压力将轴颈抬起,机油从轴颈抬起的间隙中流过而形成油流。由于油流的作用,轴颈右侧的压力大于左侧的压力,使轴颈向左移动,最后轴颈平衡在如图1(c)所示的位置上。这时,作用在轴颈左、右两侧的机油压力达到平衡,同时,机油向上的总压力和作用在轴颈上的外力相平衡。从图1(d)中油膜压力的分布情况可知,在最小间隙处油膜的厚度最小,机油压力最大。理论和实践证明,油膜最小厚度可用下式表示:hmin=(Δ/2)−e=cηnPΔd21+d/Bhmin=(Δ/2)-e=cηnΡΔd21+d/B式中:hmin为最小油膜厚度;c为计算系数;Δ为轴颈和轴瓦之间的间隙,即轴瓦间隙;e为轴颈中心和轴承孔中心的偏距;η为机油动力黏度;n为工作转速;P为轴承负荷;d为轴颈尺寸;B为轴承宽度。机油黏度:油膜厚度和机油黏度有很大的关系,机油黏度小,使油膜减薄,承载能力下降,容易造成半干摩擦;黏度过大,机油在摩擦表面不易分散,不利于形成连续均匀的油膜。轴承间隙:轴颈和轴瓦之间的间隙是产生油楔,建立油膜的基本条件。但轴承间隙过小,油膜不易建立健全,并且可能因受热而胀死;间隙过大,造成机油漏泄,油膜厚度减小,甚至油膜不能建立。轴承负荷:在正常情况下轴承负荷增大时,油膜厚度减小,这将在油膜上产生更大的压力,并重新分布,把轴颈抬起达到和负荷相平衡。如果负荷过大,油膜厚度会更小,减小到破裂的程度。相对速度:产生油膜的基本条件之一,且相对速度愈大,愈有利建立油膜。轴承在低转速高负荷工况下运转时,油膜厚度更小,更有可能使油膜破裂,造成半干摩擦,这说明柴油机在起动时其轴承总要产生半干摩擦。3解决柴油轴瓦失效故障时典型案例分析现场柴油机检修过程中,受人为因素及其它多种条件影响,完全满足柴油机轴瓦正常工作的条件及相关要素难免百密一疏,发生轴瓦失效故障的情况难以避免,以下列举几起典型故障事例。3.1机体、轴瓦的装配执行柴油机轴承及相关部件检修过程中,影响该工序的主要因素有:机体、轴瓦、及组装操作中的工艺含量,作业人员技术素养。其中轴瓦装配执行落实工艺、技术标准,是确保轴瓦检修质量和正常运用的基础所在。柴油机机体主轴承孔的质量更是关键中的关键。3.1.1体空座问题(1)半干磨或干磨轴瓦失效机理DF40369机车水阻全负荷试验中,柴油机发生第5位主轴瓦失效故障,拆检分析,轴瓦情况如图2、3、4、5所示。机体孔座加工刀痕留存在瓦背上的痕迹,如图2中圆圈所示,瓦与孔座贴压不密贴的部分,瓦背上刀痕清晰可见。瓦与机体孔密贴度不够,必然导致轴瓦导热性能降低,锡铝合金受热膨胀,减小了轴瓦间的游隙。根据润滑原理及油膜理论:hmin=(Δ/2)-e,Δ减小,则油膜最小厚度减小,轴、瓦间快速进入半干磨或干磨状态。细小的合金屑因热疲劳从合金面上剥离,不断的划破、拉伤合金面,由局部延展到全部。瓦孔座与瓦密贴性差,使导热性变差,碾瓦前或碾瓦过程中,瓦背表面的薄层锡受热熔化,如图3所示,箭头所指为被熔化的锡点。轴瓦处半干磨或干磨状态中,合金面被碾磨失效的情况必然发生,如图4所示。箭头所指为碾损严重部位,方框中的部位为干磨最严重的区域。经进一步分析,造成轴瓦失效还另有原因:其一,轴瓦的接口压痕,如图5所示,圆圈所示为顶压正常,方框所示为没有压顶痕迹的部分,这说明轴瓦自身存在质量问题,轴瓦的高出度不足;其二,瓦与瓦孔座密贴性差,轴瓦导热效率低,造成故障。经过对柴油机机体、曲轴、轴瓦全面的检查检测,综合全部数据后,对该机车柴油机发生故障的第五位主轴瓦孔及瓦盖进行修复,使瓦孔及瓦盖完全达到工艺技术的标准,特别是提高了瓦孔面的加工精度,改善了瓦的贴合、导热性。再次起机水阻试验各项指标顺利过关。(2)连杆瓦摩瓦损伤连杆大端瓦孔面加工精度低,高点凸出、垫填处较多,使得瓦背与大端孔虚贴部分较多,从而直接导致局部高温或轴瓦传热受阻,发生连杆瓦失效故障。如DF46342第13缸连杆瓦碾瓦,如图6、7所示。图6为连杆上瓦瓦背瓦孔贴合情况。图中圆圈所示为孔座中的高点垫填了瓦背,方框中的部位为虚贴部分,导热性能降低引发轴瓦失效。图7中碾损严重的部位正好对应着瓦背贴合较差的部位。通过对连杆大端孔的全面检测,认真按工艺技术要求进行修复,再次组装柴油机运转一切正常。3.1.2轴瓦的干磨、受精密度(1)机体及瓦盖清洁度、瓦的清洁度,瓦与孔座的贴合,事事不可小觑。(2)曲轴油道清洁度,曲轴油孔内异物存留,如图8所示。如异物堵塞油路或随机油进入轴瓦之间,轴瓦间的干磨、直至发生故障不可避免。经对比确认异物系曲轴出厂时包装防护使用的物品。(3)主机油道进口法兰连接安装。主机油道进口法兰石棉垫安装高出进口油管法兰,高出的部分石棉垫在机油长期冲压下,很可能发生掉块而随机油进入主机油道,引发轴瓦大故障。(4)机油滤清器脏。过滤后机油存在颗粒多、颗粒大问题,在轴与瓦的表面形成拉伤、划伤,严重时瓦的合金面受热、疲劳而由小剥离扩展到大故障。对此要求日常机车保养中,机油滤清器的各项工艺、技术标准要落实执行到位,检修检查中机油压差要确保在规定之内。3.2轴颈质量分析及故障原因3.2.1轴瓦与瓦的磨损和剥离DF4767机车负荷试验中发生柴油机第五位碾瓦,如图9、10所示。从下瓦碾损的情况可以看出:碾瓦过程中轴与瓦的合金面明显发生碾压、磨损。下瓦大片合金层剥离、脱落,说明了轴瓦之间经历了游隙变小到半干磨、干磨的过程。图10中合金成份被偏压碾挤,图中箭头所示,从另一方面说明曲轴与瓦孔同轴度两者存在偏差。拆检柴油机发现,曲轴第五位主轴颈水平方向跳动量为0.19mm。更换曲轴及轴瓦后,柴油机运转一切正常。3.2.2分散性和表面粗糙度曲轴轴颈表面粗糙度对轴瓦正常工作及使用寿命有重大影响,尤其与轴瓦咬合有很大的关系。戚墅堰工艺研究所2002年发表的抗咬合试验报告中提供了轴颈表面粗糙度和抗咬合强度关系的测试结果表明:在曲轴材料和轴瓦合金不变的情况下,进油温度80℃时,轴颈表面粗糙度Ra从0.2μm增大至0.56μm,其抗咬合强度则从190MPa下降至110MPa;进油温100℃时,轴颈表面粗糙度Ra从0.3μm增大至0.4μm,其抗咬合强度从150MPa下降至90MPa,说明轴颈表面粗糙度越差,咬合的危险越大,随着温度升高,这种影响还会进一步增大。DF4C5257、机车发生曲轴第7缸连杆瓦碾瓦故障。如图11、12所示。图12中,连杆颈磨损失效症状特征明显,突出特征是轴颈表面粗糙度较大。轴颈被严重的磨损,表面组织发生脱落、剥离,竟然没有过热、变色。而图11的情况说明磨损发生的区域处在轴颈所受连杆最大压力、切向力、法向力之外。从故障调查中获悉,该曲轴在组装前,这个区域表面出现粗糙度问题,粗糙度约在▽6～▽7之间,对应Ra值为:0.6～0.8μm;而且表面出现少许疏松纹,经相关部门间多次协商,允许经手工打磨处理。现存轴颈上的凹坑(如图11、12中圆圈和箭头所示)就是上次处理疏松纹留下。而瓦的失效情况表明:瓦的合金面严重剥离、粘咬,瓦的抗咬合能力被大幅削弱,如图13、14、15所示。图14所示,连杆上瓦正受力区域严重磨损,这种失效的起因正是轴颈面粗糙度过大所致。微观观察,轴颈上的粗糙高凸部分,突破油膜,轴面瓦面局部相磨,磨削下的细小金属屑粒掺杂在机油中,致使合金面先划伤、拉伤,在合金表面聚集高温,合金层膨胀而挤占游隙,形成半干磨、干磨,或者直接使得合金层大量剥离。从图15上下瓦背的情况可知,瓦在组装中,瓦背与孔的安装、贴合良好,瓦的质量、组装情况正常。说明轴瓦失效主要原因是轴颈面的粗糙度超限。查对相关技术要求:轴颈表面的粗糙度一定不能低于▽8,Ra值在0.1～0.2μm之间。3.3主要相关部件导致轴瓦误差的分析轴瓦失效与轴瓦所处环境中各相关部件都有非常密切的关系,那怕是忽略了某个微小的环节,都有可能铸成大错。3.3.1发电机滤芯误动DF4KB2566机车(柴油机编号3451C#)全负荷试验10min时,出现机油粗、精滤器油压差150～170kPa,停机后更换一组机油滤芯后继续试验,发现第15缸处有异音,停机开盖检查发现曲轴箱内出现大量碾片。分解柴油机各部件检查,故障过程分析如下。(1)磨损槽带及区域磨损程度对比①第7缸连杆颈有比较光滑的均匀的磨槽,其宽度(呈宽带状)外观特征、几何尺寸与连杆瓦定位销相仿(接近尺寸)。如图16中箭头、椭圆圈所示。②第15缸连杆颈同样有严重磨损,但宽度状痕迹没有第7缸明显。③整个轴颈磨损部位没有严重过热,削磨面之深,且光滑,可以认定磨损时间长,载荷不大,没有明显的干磨、过热,机油油路通畅。④两缸区域磨损程度对比,第7缸磨损槽带多于第15缸磨损槽带,且深度深于第15缸。由此可以推断:第7缸磨损时间长于第15缸,第7缸带状磨槽比第15缸先磨成。(2)第7缸与第15缸连锁的定位销分析①第7缸连杆大端孔,有近1/2弧长处发生过热留有痕迹,如图17所示。②第7缸连杆上瓦座(连杆上体)无定位销,如图18箭头所示。③第7缸连杆下瓦盖定位销被刷切,如图19椭圆所示。④第15缸连杆上下瓦座,定位销均被碾切,整个连杆大端孔外观没有第7缸连杆大端孔严重过热痕迹,如图20所示。由此可以推断:磨损剧烈程度上第7缸重于第15缸;磨损时间第7缸长于第15缸。(3)高温研磨机现象①第7缸上、下瓦如图21、22所示。下瓦销钉没有轴向横移,说明碾切过程短。如图21箭头所示。第15缸上下瓦钢背磨损情况,如图23所示。②第7缸下瓦没有碾切定位销的痕迹,正面中心区存有与定位销相似宽度的磨痕,如图24圆圈所示部位。上瓦瓦背上碾切定位销的情况与该位连杆孔内发生的故障条件相符:高热、材料屈服、抱轴、碾切销钉线路没有轴向横移的痕迹。③从第15缸上下瓦情况看,销钉碾切是瓦过热失效抱合曲轴连杆颈上。图24箭头所示,连杆上的定位销是在瓦背与连杆大端孔存在足够大间隙磨切。这种情况有以下一些过程:停机冷却轴瓦抱轴,或停机后起机机油冲刷轴瓦向内收缩、抱轴;第7缸高温导传过来,高温使机油油膜失效;第7缸上瓦被碾磨,挤压轴向外移后顶磨第15缸连杆瓦,由此第15缸连杆瓦产生高温碾瓦。当第7缸磨损到达一定程度,发生游隙过大而泄油过多时,第15缸供油不足碾瓦。④从两副瓦瓦背销钉碾切情况看:a.第7缸上瓦没有碾切定位销钉的痕迹,突出特点是轴向横移量大,瓦背上也没有销钉被碾切的痕迹,说明瓦在失效过程中,进入这个碾切销钉的重要时段,销钉早已不存在,或不能起到一点阻止上瓦轴向移动的作用。如图25所示。从第7缸连杆上瓦被先脱出的定位销钉碾挤脱掉的碎片可以证明这一点,如图26所示。b.从背上看第7缸下瓦对销钉的碾切,过程中没有发生轴向横移,这说明连杆上瓦早已严重失效。c.第15缸上瓦、下瓦碾损销钉都有轴向横移痕迹,且下瓦碾切力度大于上瓦,过程短于上瓦,如图27所示。圆圈所示为第15缸下瓦,方框所示为第15缸上瓦,这说明第15缸上瓦先碾损后再扩展到下瓦。对碾损瓦重量对比:第7缸上瓦为420g,第15缸上瓦为470g,第7缸上瓦比第15缸上瓦碾削下的金属量多50g(上瓦标重为790g)。由此可以说明第7缸发生碾瓦在第15缸之前。⑤如图28所示,第7缸上瓦座上没有定位销,而油槽中有一定位销钉残片,下盖上的销钉被碾切。第15缸上下瓦盖的销钉都被平平展展碾切,如图29。箭头所示为定位销被碾切后的情况。由此可以结论:第7缸连杆上瓦座上的销钉是先于碾瓦前脱掉。⑥第7缸连杆上瓦座销钉脱落情况如图30所示。销钉根部断裂的宏观断口表面大部分是旧伤、旧痕迹,仅有圆圈所示的一小部分是最终断裂的痕迹,如图30中箭头所指。销钉从中脱离后,此处失去了导热主体,同时为高压机油引入提供了时间、空间。机油在此高压区域压入到连杆瓦背连杆体间的机会增多,由此瓦与体间将聚热,瓦的胀量很快减弱,发生轴瓦失效。此处销钉脱落,先搭在连杆颈上,依附着连杆瓦与轴颈相磨。在轴与瓦间产生高温,瓦的合金层膨胀,挤占游隙、减少油膜,发生半干磨、严重干磨导致轴瓦失效。(4)加工大端孔的钢绞线,①曲轴上第7缸连杆颈磨痕与销钉外观尺寸,见图17。②销定位在此期间摩擦必然产生高温,特别是上瓦定位销区域在曲轴转角第三冲程的上止点后10°～20°和210°～220°两转角时,加速度、轴颈切向力或惯性力最大(轴瓦承受压力可达到28～35MPa)。③销钉从孔中虚脱时,高热高压的机油挤钻进销孔中,向瓦背与瓦座面间渗入,大大减低瓦的胀量,使轴瓦迅速发生故障而失效。由此可以推论碾瓦过程如下:由此可见,连杆检修、组装时,对上下瓦销钉的检查应引起高度重视。特别是拔去销钉修复大端孔的连杆定位销是否装配到位,装配牢固要确认、复查。对普查出现的一批存有质量问题的定位销全部按工艺技术标准修复。3.3.2连锁断裂器第15缸下瓦DF8A0015机车水阻时,第7位连杆颈发生碾瓦,第7缸、15缸上下瓦发生严重碾瓦。如图31a、b、c、d所示。同一连杆颈上发生四块瓦碾损,第15缸连杆颈磨损处深达1.5～1.6mm,其严重程度罕见。对四块瓦碾后状况仔细观察对比:(1)第15缸两块瓦碾损情况明显重于第7缸两块,说明第15缸发生碾瓦比第7缸早。(2)第15缸下瓦磨损程度大于上瓦,根据上下瓦受力规律,上瓦为受力瓦,下瓦为非受力瓦,非受力瓦为何磨损比受力瓦更大,可以推断:磨损先从下瓦发生,下瓦磨损到达一定程度影响上瓦。在磨损过程中,金属屑通过连杆颈上传到连杆上瓦,下瓦磨损过程中的热量传给上瓦,破坏合金面和轴颈面之间的油膜,金属屑及杂质在其间快速划、拉产生热量,使瓦合金层膨胀挤占瓦的游隙而加剧磨损。在15缸上下瓦都磨损到一定程度或在磨损进行之时,因热膨胀、连杆反复冲压,过热的瓦向连杆瓦盖边缘扩张,上下瓦同时向两侧伸展,不可避免地磨到第7缸连杆瓦及曲柄臂。如图32所示。由于受摩擦,第7缸上下瓦产生高热,瓦的油膜被破坏,合金层膨胀,游隙变小,导致快速磨损,合金面剥离,掉下的金属物又使合金层反复拉伤、脱落,留下拉伤痕迹。对比两副连杆瓦时发现,第7缸上下瓦情况均好于第15缸上下瓦,同时第7缸下瓦好于第7缸上瓦,特别是第7缸下瓦情况大大好于第15缸下瓦。表明:第7缸上下瓦是同时发生磨损,只是上瓦受力、承载,下瓦工作条件相对好一点。进一步证明,第15缸下瓦先发生故障磨损。可以推断:第15缸连杆下瓦故障→第15缸连杆上瓦故障→第15缸上下瓦碾瓦→第7缸上下瓦同时故障碾瓦。该柴油机、曲轴连杆属正常中修,大端孔测量、带瓦检测检修过程中均无异常。为什么第15缸发生碾瓦?什么原因导致碾瓦?从第15缸下瓦瓦口定位舌部位磨损最为严重情况分析:磨损是从这个区域始发。通过对第15缸下瓦盖定位舌部位仔细观察发现,下瓦盖的这个区域已过热,磨削量最大。图33中圆圈所示为下瓦接口部分和瓦的定位舌部位。瓦盖上定位舌座区域也过热、变色,定位舌止口处有物质挤压而变形的明显痕迹,再拿新瓦试装,此处定位舌凸顶明显,不能正常落座到位。可以想象由此组装后,下瓦的这个区域一直处在凸垫状态,没有完全落座到位。柴油机开始运转时,下瓦就处在半干磨、干磨状态下。发生故障是不可避免的。从这次轴瓦失效的故障中有两点教训必须吸取。①连杆上下瓦组装时,定位舌部位的组装状况不可疏忽。②柴油机起机全过程中的曲轴箱检查执行工艺技术标准不能简化、走样。图33中第15瓦背上箭头所示的痕迹鲜明的表征:轴瓦发生失效故障后,柴油机经历过多次的停机、起机,轴瓦不止一次内收脱离瓦盖、抱合曲轴连杆颈,以至碾损的物质渗入瓦背与瓦盖之间。4油泵曲轴箱内压监测在机务段,机车中修全负载试验是试验判断柴油机轴瓦多项质量指标的重要过程。在此过程中可以通过对柴油机开盖检查,对曲轴箱各部通过眼看、鼻闻、感受温度,对可见轴瓦、瓦盖进行观察判断。负载试验中的每个阶段开曲轴箱盖检查曲轴箱这