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(guò)類(lèi)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(dòng),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(chē)檢查,見(jiàn)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(lái)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(zhuān)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(shí)間超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)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(gè)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(jiǎn)稱(chēng)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(qǐng)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(xiāo)受力F,可分解為推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)周期性變化,而且軸承與曲柄銷(xiāo)之間存在間隙,所以曲柄銷(xiāo)會(huì)與軸承的剖分處相互撞擊。長(zhǎng)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(dòng):
·橢圓形軸承內(nèi)孔曲率不均勻,軸瓦無(wú)法緊貼軸承內(nèi)孔,造成曲柄銷(xiāo)、軸瓦和軸承三者之間敲擊磨損。
·橢圓形軸承內(nèi)孔徑向長(zhǎng)度大于軸瓦背部徑向長(zhǎng)度,致使軸瓦背部不能緊貼軸承內(nèi)孔,嚴(yán)重時(shí)甚至軸瓦與軸承有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成軸瓦和軸承的移動(dòng)磨損。
敲擊磨損和移動(dòng)磨損，都導(dǎo)致曲柄銷(xiāo)、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(rùn)滑
目前柴油機(jī)都采用強(qiáng)力潤(rùn)滑方式,即依靠滑油壓力和軸的轉(zhuǎn)動(dòng)形成連續(xù)油膜,隔離摩擦面,承載壓力,減少磨損。強(qiáng)力潤(rùn)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(guò)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(xiāo)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(zhǎng)時(shí)間。所以,船齡大、設(shè)備老化的船舶易發(fā)生這類(lèi)事故。
但是,能完成事故前的航次及其進(jìn)港機(jī)動(dòng)航行,證明軸承內(nèi)孔變形的漏油還沒(méi)有嚴(yán)重到不能建立潤(rùn)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(méi)有嚴(yán)重到不能建立潤(rùn)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(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的幾個(gè)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(dòng)航行,而啟動(dòng)加速到額定轉(zhuǎn)速后不久發(fā)生事故呢？有必要分析啟動(dòng)和加速過(guò)程軸承的潤(rùn)滑情況。
定速主機(jī),啟動(dòng)后不長(zhǎng)時(shí)間即以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。
強(qiáng)力潤(rùn)滑的機(jī)理,是依靠滑油壓力和軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)已啟動(dòng)主機(jī)滑油泵,由于軸承內(nèi)孔變形的漏油還不是很?chē)?yán)重滑油壓力得以建立。
但是,軸承和曲柄銷(xiāo)處于靜止?fàn)顟B(tài):
·沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)不可能建立油膜；而且
·滑油不會(huì)進(jìn)入軸承緊貼曲柄銷(xiāo)的部位。
說(shuō)明書(shū)要求暖機(jī)時(shí)主機(jī)盤(pán)車(chē),就是希望滑油進(jìn)入軸承緊貼曲柄銷(xiāo)的部位。
(2)啟動(dòng)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(xiāo)處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)即有潤(rùn)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(shí)間短,且設(shè)計(jì)時(shí)已考慮這種情況,即使軸瓦輕微損傷,一般也不會(huì)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(shí)被滑油帶走。
軸承與曲柄銷(xiāo)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(dòng)油門(mén)不可過(guò)大即防止軸承受力過(guò)大；
·油氣并進(jìn)時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)。
(3)低速運(yùn)轉(zhuǎn)階段
此時(shí)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(rùn)滑。為防止損傷軸瓦說(shuō)明書(shū)通常都規(guī)定低速運(yùn)轉(zhuǎn)階段的時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng),因?yàn)?
·軸承受力小,潤(rùn)滑效果較好,使軸承油膜有一段調(diào)整時(shí)間；
·需要滑油帶走啟動(dòng)階段軸承產(chǎn)生的熱量和磨損微粒。
但對(duì)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(rùn)滑油的接觸摩擦,也可能油膜時(shí)斷(油膜潤(rùn)滑)時(shí)續(xù)(有潤(rùn)滑油的接觸摩擦),磨損嚴(yán)重,不僅不能帶走啟動(dòng)階段軸承產(chǎn)生的熱量和磨損微粒,而且還會(huì)增多熱量和磨損微粒,最好略提高轉(zhuǎn)速,縮短時(shí)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(shuō)明書(shū)通常都規(guī)定啟動(dòng)后加速過(guò)程時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)。因?yàn)橹鳈C(jī)加速過(guò)快,軸承受力突然大幅增加,會(huì)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(duì)軸承)最高,潤(rùn)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(guò)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(gè)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(shí)間(相對(duì)前幾個(gè)階段)長(zhǎng),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(dòng)到額定轉(zhuǎn)速空載運(yùn)轉(zhuǎn)的五個(gè)階段,對(duì)于連桿大端軸承內(nèi)孔變形(漏油還沒(méi)有嚴(yán)重到不能建立潤(rùn)滑油膜的程度)的主機(jī),啟動(dòng)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(shí),主機(jī)未充分盤(pán)車(chē)；
·啟動(dòng)時(shí),油門(mén)過(guò)大,和/或油氣并進(jìn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；
·低速運(yùn)轉(zhuǎn)階段,轉(zhuǎn)速過(guò)低和/或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；
·加速過(guò)快。
以上四項(xiàng)(尤其是后三項(xiàng)),沒(méi)做到某一項(xiàng)都可能損傷軸瓦；沒(méi)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(dòng)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(shuō)明書(shū)規(guī)定范圍內(nèi):
·暖機(jī)時(shí),尤其是啟動(dòng)前,充分盤(pán)車(chē)；
·啟動(dòng)時(shí),油門(mén)宜小,油氣并進(jìn)時(shí)間宜短；
·低速運(yùn)轉(zhuǎn)階段,轉(zhuǎn)速應(yīng)略高,時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)；
·主機(jī)加速,不宜過(guò)快。
·運(yùn)行中,嚴(yán)密監(jiān)視主機(jī)滑油壓力,及時(shí)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(méi)有嚴(yán)重到不能建立潤(rùn)滑油膜的程度,亦即軸承內(nèi)孔變形還沒(méi)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(shí)更換超標(biāo)軸承和螺栓
(1)軸承
定期(不大于說(shuō)明書(shū)規(guī)定時(shí)間間隔)檢查軸承殼外觀,測(cè)量孔徑,分析測(cè)量結(jié)果,及時(shí)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(cè)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(gè)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(gè)方向,測(cè)量至少共15個(gè)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(xiāo)的配合
定期(不大于說(shuō)明書(shū)規(guī)定時(shí)間間隔)測(cè)量和分析軸承內(nèi)徑以及軸瓦與軸承殼過(guò)盈壓隙，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸瓦變形超標(biāo)。
測(cè)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(gè)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(gè)方向,測(cè)量至少共15個(gè)數(shù)據(jù)；
④松開(kāi)螺栓螺帽,測(cè)量軸瓦過(guò)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(duì)于薄壁軸瓦,軸瓦過(guò)盈壓隙標(biāo)準(zhǔn)是曲柄銷(xiāo)直徑的0.0008～0.0018),盡早查明原因并消除。
綜合分析此測(cè)量結(jié)果及曲柄銷(xiāo)直徑測(cè)量結(jié)果,可得到曲柄銷(xiāo)與軸承的間隙。
發(fā)現(xiàn)軸瓦損傷,及時(shí)換新,包括:
·合金開(kāi)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(guò)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(guò)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(shuō)明書(shū)規(guī)定時(shí)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(xiāo),定期測(cè)量不圓度(橢圓)、不柱度(錐度)和直徑尺度,確認(rèn)不超過(guò)說(shuō)明書(shū)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(cè)量直徑永久變形量和長(zhǎng)度(如有可能最好測(cè)量螺栓的直線性度和彈性性能),均不應(yīng)超出說(shuō)明書(shū)的規(guī)定，最好測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量；
·使用扭力或液壓壓力扳手,預(yù)緊力符合說(shuō)明書(shū)規(guī)定。
作者：張洪 來(lái)源：航海技術(shù)
