柴油機(jī)連桿彎曲分析及預(yù)防措施

連桿是柴油機(jī)最重要的部件之一,連桿在工作過(guò)程中,要承受周期性不斷變化的燃燒壓力和慣性力的交變載荷作用,其工作條件十分惡劣,在船舶輪機(jī)管理工作中,對(duì)連桿的檢查工作是不容忽視的。在修理工作中,多次遇到連桿彎曲、變形,甚至折斷而造成重大機(jī)損事故。下面以某輪副機(jī)的連桿故障為例,分析連桿彎曲變形的原因及預(yù)防措施。

1 案例分析

某輪 1號(hào)副機(jī)在常規(guī)吊缸保養(yǎng)工作中,出現(xiàn) 2號(hào)連桿彎曲變形。

機(jī)型,YANMAR 6MAL—UT;缸徑,200 mm;行程,240mm;汽缸數(shù),直列 6缸;轉(zhuǎn)速,1 000 r/m in;最大燃燒壓力,10MPa;功率,463 kW。

1.1 故障描述

該柴油機(jī)作為發(fā)電機(jī)投入使用已有 24年,累計(jì)運(yùn)行 87 000 h,以往未發(fā)生同類故障。拆開(kāi)曲軸箱道門(mén)進(jìn)行檢查,盤(pán)車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)正常,2號(hào)連桿在靠近高壓泵端有與缸套右下邊緣碰擦痕跡。吊起活塞時(shí),連桿大端蓋卡在缸套內(nèi)壁,用電動(dòng)角磨機(jī)磨削后吊出機(jī)外。

拆出活塞后發(fā)現(xiàn):①活塞、活塞環(huán)、連桿螺栓完好;②缸套內(nèi)壁除了右下邊緣磨削 15 mm×10 mm凹口外,其余部位光滑,無(wú)拉缸痕跡;③連桿軸瓦、活塞銷(xiāo)軸承正常;④連桿桿身彎曲部位距離小頭中心線 240 mm,接近桿身中段。

通過(guò)測(cè)量數(shù)值顯示,大、小端孔中心線不平行度達(dá)到 13.5 mm/m,大大超過(guò)了 JT/T54-93《船用柴油機(jī)連桿彎曲偏差》中 “大、小端孔中心線不平行度不大于 0.02mm/m”的規(guī)范要求;除連桿彎曲變形外,其余數(shù)值在合格范圍內(nèi)。為了安全起見(jiàn),我們將其余 5根連桿全部拆出作測(cè)量檢驗(yàn),結(jié)果均正常。

1.2 案例分析與探討

檢修前,柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,使用負(fù)荷在 50%以下,查閱以往修理記錄,距離上次檢修時(shí)間為3 200 h,可以判斷連桿彎曲發(fā)生的時(shí)間是在這3 200 h的時(shí)間內(nèi)。

從材料力學(xué)性能可以得知,材料的疲勞壽命與交變應(yīng)力的大小有關(guān)。如果材料承受的交變應(yīng)力小于材料的疲勞極限,則材料可以承受無(wú)數(shù)次交變應(yīng)力而不會(huì)發(fā)生疲勞變形 (即疲勞壽命無(wú)限)。在交變應(yīng)力作用下,如果疲勞壽命超過(guò) 106～107次交變應(yīng)力以上,則可視為該零件承受的交變應(yīng)力小于材料的疲勞極限,在正常使用的情況下,該零件不會(huì)發(fā)生疲勞損傷。

該機(jī)在出現(xiàn)連桿變形前,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間87 000 h,按照轉(zhuǎn)速 1 000 r/min計(jì)算,連桿已經(jīng)承受 2.61×109次交變應(yīng)力循環(huán)作用,大大超過(guò) 107次疲勞極限,也就是說(shuō),排除了由于材質(zhì)原因?qū)е逻B桿彎曲變形的可能,而最大的可能是該連桿在使用過(guò)程中曾受到過(guò)負(fù)荷損傷,主要表現(xiàn)為:①啟動(dòng)前燃燒室進(jìn)水,產(chǎn)生液擊,這種情況對(duì)連桿的損傷極大;②啟動(dòng)瞬間超負(fù)荷,該類型柴油機(jī)采用1.8～3 MPa壓縮空氣啟動(dòng),在油門(mén)拉桿安裝了一套啟動(dòng)限油裝置,以控制啟動(dòng)時(shí)高壓泵供油量,在檢查中,我們發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)限油裝置不起作用,柴油機(jī)在風(fēng)油并進(jìn)階段因供油量過(guò)大,汽缸安全閥起跳,出現(xiàn)瞬間超負(fù)荷;③運(yùn)轉(zhuǎn)中各缸供油量不均勻,導(dǎo)致個(gè)別缸長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷;或者供油提前角過(guò)早,汽缸燃燒壓力過(guò)高;機(jī)器負(fù)荷變化劇烈,或者突然停車(chē)。這些都會(huì)造成連桿過(guò)負(fù)荷損傷。

2 預(yù)防措施和使用建議

YANMAR柴油機(jī)是目前船舶常用機(jī)型,該機(jī)型用途廣泛,可靠性好,出現(xiàn)連桿彎曲是個(gè)別現(xiàn)象,但也要引起足夠重視。

通過(guò)以上對(duì) YANMAR 6MAL—UT柴油機(jī)連桿彎曲的分析,連桿彎曲屬于非正常疲勞損傷造成,如果不采取預(yù)防措施,此類型故障還會(huì)繼續(xù)出現(xiàn),嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致整臺(tái)柴油機(jī)報(bào)廢。

連桿由開(kāi)始彎曲到造成機(jī)損有一個(gè)過(guò)程,建議在以后的工作中應(yīng)在以下幾個(gè)方面多加注意。

①加強(qiáng)對(duì)連桿檢查,如能及時(shí)發(fā)現(xiàn),可避免事故的發(fā)生,就案例柴油機(jī)而言,連桿桿身與缸套下邊緣的距離很小,連桿稍有彎曲,就會(huì)與缸套下邊緣摩擦,因此平時(shí)定期開(kāi)曲軸箱道門(mén)檢查,這是最簡(jiǎn)單,也是最有效的的辦法。②在每次拆檢修理前,對(duì)連桿檢查,除常規(guī)的連桿螺栓、連桿大端孔、軸瓦、活塞銷(xiāo)等部件外,還要測(cè)量連桿的彎曲值。③在每次啟動(dòng)前,開(kāi)啟示功考克盤(pán)車(chē),避免由于有水進(jìn)入汽缸造成液擊。④使用中經(jīng)常觀察機(jī)械運(yùn)行參數(shù),特別是對(duì) Pmax的檢測(cè),盡量減少突變負(fù)荷、突然停車(chē)。⑤對(duì)啟動(dòng)限油裝置進(jìn)行檢查、調(diào)整,避免啟動(dòng)時(shí)油量過(guò)大。⑥特別值得注意的是,一般更換隨機(jī)新連桿備件時(shí),也要做好測(cè)量工作,筆者曾經(jīng)經(jīng)歷隨機(jī)新連桿備件變形的情況,連桿備件由于長(zhǎng)時(shí)間平放在備件箱內(nèi),連桿桿身中部下垂變形。正確的連桿放置方法是連桿垂直固定懸掛,對(duì)于變形的連桿,可采用冷態(tài)或熱態(tài)下校直、測(cè)量合格后使用。