關于一例SULZER 5AL25/30型船用柴油機曲軸燒瓦故障的分析

袁 對，陳建良

(浙江國際海運職業(yè)技術學院，浙江 舟山 316021)

1 故障情況

某巴拿馬型散貨船發(fā)電柴油機型號為SULZER 5AL25/30，共三臺，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，額定功率735kW，上世紀八十年代初波蘭生產(chǎn)，由于機器磨損老化，航行中使用兩臺柴油發(fā)電機，單機輸出功率約350kW。

該輪某航次定速航行中，值班輪機員巡回檢查時發(fā)現(xiàn)該副機曲軸箱有輕微異常聲響并且第四、五缸道門溫度略高，立即更換備用發(fā)電機組。停車后立即盤車，發(fā)現(xiàn)有卡阻現(xiàn)象。待充分冷卻后打開曲軸箱道門檢查，發(fā)現(xiàn)第四、五缸連桿大端軸瓦出現(xiàn)“擠鉛”現(xiàn)象 (該軸瓦材料為鉛基巴氏合金)，拆解此兩缸連桿大端后發(fā)現(xiàn)有大量融化的軸瓦合金粘著在曲柄銷軸頸處，連桿大端軸瓦表面部分白合金明顯剝落，且有較深的劃痕。

2 故障診斷過程

查閱機艙監(jiān)測警報系統(tǒng)中的歷史報警記錄后發(fā)現(xiàn)并沒有柴油機滑油低壓或失壓等異常記錄。查閱柴油機檢修記錄簿發(fā)現(xiàn)距上次常規(guī)吊缸保養(yǎng)后才運行約1000 h，同時發(fā)現(xiàn)該次吊缸檢修時未對連桿大端軸瓦和曲柄銷進行測量、更換。

據(jù)值班人員描述，事故發(fā)生時曲軸箱滑油油位正常。事故后對該柴油機的滑油低壓保護和報警進行測試，結果均正常。根據(jù)上述情況可以初步診斷為軸瓦因缺乏有效潤滑的情況下發(fā)生局部黏著磨損導致的燒瓦。

柴油機軸瓦與曲軸燒死，俗稱“燒瓦”?！盁摺笔遣裼蜋C最忌諱的一種嚴重故障，造成這一故障的主要原因是發(fā)動機的機械負荷和熱負荷過大，機油供給不足的情況下，曲軸與軸頸之間未能形成有效的潤滑油膜，導致曲軸與軸瓦直接摩擦，形成表面高溫，軸頸與軸瓦相互燒結咬死，致使發(fā)動機無法正常運行[1]。

3 故障原因分析

3.1 曲軸的工作狀態(tài)分析

柴油機曲軸與軸承的摩擦包括兩對運動摩擦副，柴油機曲軸的主軸頸與主軸承是一對作回轉(zhuǎn)運動的運動副;曲柄銷頸與連桿大端軸承是曲柄銷頸在擺動的大端軸承內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動的運動副。一般主軸頸與主軸承之間可以形成楔形油膜，實現(xiàn)流體動壓潤滑，運動副處于流體摩擦狀態(tài)。流體動壓潤滑是指利用摩擦表面的相對運動使?jié)櫥瑒┝黧w產(chǎn)生楔形油膜或擠壓油膜來承受外部載荷并隔開摩擦表面[2]。正常工作時 (正常轉(zhuǎn)速時)楔形間隙內(nèi)油膜壓力的合力與外載荷平衡，軸頸在某一偏心位置平衡運轉(zhuǎn)。該平衡位置會隨工況而變化，油膜厚度也將隨著變化。當在最小的油膜厚度區(qū)域內(nèi)，局部壓力很高，甚至是軸承平均壓比的6～10倍，過高的負荷使油膜遭到破壞，軸與軸瓦發(fā)生直接接觸造成磨損。

曲柄銷與連桿大端軸承的運動及受力情況如圖1。連桿大端軸承隨曲柄銷作回轉(zhuǎn)運動，同時曲柄銷頸相對于大端軸承轉(zhuǎn)動。在大端軸承中，由于軸承孔徑大于曲柄銷軸徑，當大端軸承上瓦壓在曲柄銷頸上時，在曲柄銷頸下方出現(xiàn)月牙狀間隙。隨著曲軸轉(zhuǎn)動，粘附于曲柄銷頸上的潤滑油被帶入月牙狀間隙中形成楔形油膜，實現(xiàn)液體動壓潤滑。

圖1 曲柄銷與連桿大端軸承的運動及受力圖

3.2 曲軸發(fā)生燒瓦 (軸瓦燒熔)的原因分析

根據(jù)以上分析，曲軸在運轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生磨損并且是不均勻的磨損，最終會導致軸頸和軸瓦的不均勻磨損。從輪機維護與修理的理論知道磨損分為黏著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損等，其中曲軸發(fā)生黏著磨損 (燒瓦)的原因有很多，主要有以下幾個方面:

(1)滑油中斷—曲軸軸承在斷油的情況下由于干摩擦產(chǎn)生的熱量非常大，在極短的時間內(nèi)就可能導致白合金黏著甚至軸瓦抱死。

(2)滑油壓力過低—由于軸頸與軸承之間的配合間隙較小，過低的滑油壓力將無法使滑油順利進入兩接觸表面形成邊界潤滑，最終無法建立有效的動壓潤滑，容易導致軸頸與軸瓦局部直接接觸形成干摩擦。

(3)滑油中有水或混入柴油—滑油里混入柴油或水以后，會加快滑油的變質(zhì)，一方面使得潤滑油的粘度下降很多，另一方面使得機件間的腐蝕加劇，在軸承與軸頸間形成腐蝕磨損。

(4)軸承配合間隙過大—間隙過大時會導致油液泄漏，從而無法實現(xiàn)動壓潤滑，同時由于機械負荷的長期作用，會在軸瓦上產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導致白合金龜裂脫落。

(5)軸承配合間隙過小—間隙過小會導致無法形成足夠厚度的油膜，在負荷的作用下，軸承與軸頸直接接觸概率上升，同時引起軸承傳熱不良，最終導致黏著磨損。

(6)機械負荷過大—過大的機械負荷導致沖擊力加劇，特別對于連桿大端軸承，過大的沖擊瞬間會使油膜被擠壓，軸承與軸頸間發(fā)生直接接觸形成干摩擦。

(7)曲柄銷軸頸或軸瓦磨損后，其形狀尺寸誤差圓度、圓柱度超過規(guī)定值產(chǎn)生局部比壓過大，在正常負載下也會導致油膜被破壞而形成干摩擦等。

根據(jù)上述原因的分析和低壓保護的測試結果，初步排除第1、2項的可能性。查閱檢修記錄本最近一次的測爆數(shù)據(jù)也沒有發(fā)現(xiàn)爆壓特別高的記錄，據(jù)此可排除第6項。

綜上所述，本次事故中產(chǎn)生軸瓦黏著的主要原因極有可能是以下兩大方面:

(1)滑油油質(zhì)問題。在檢修過程中同時對油底殼中滑油進行了取樣檢查，無乳化現(xiàn)象且粘度正常，可排除大量混入水和柴油的可能性，并裝瓶送廠做進一步化驗。

(2)軸頸和軸瓦有過度的磨損。當軸頸或軸瓦長期磨損后會產(chǎn)生圓度誤差和圓柱度誤差，導致軸頸與軸瓦之間的配合間隙發(fā)生變化，破壞油膜的形成，無法建立正常的動壓潤滑，引起局部干摩擦。

3.3 故障根本原因分析

根據(jù)上述結論繼續(xù)對產(chǎn)生該事故的機理進行深入分析。一般來說導致軸頸與軸瓦異常磨損的原因無非是油液中混有固體雜質(zhì)導致的磨粒磨損、油液變質(zhì)導致的腐蝕磨損等。但在本起故障中從拆卸的軸瓦中未發(fā)現(xiàn)明顯的磨粒磨損痕跡，并且在后來對其他缸的吊缸檢修中亦未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。

其實在分析故障時，當時忽略了老齡船舶機械設備的磨損問題。老齡船用柴油機的曲軸軸頸、曲柄銷軸頸經(jīng)過多年的磨損后，可能已經(jīng)接近甚至超過了磨損極限，即使更換新的軸瓦后兩者的配合間隙還有可能是偏大甚至是不均勻的，過大且不均勻的間隙又破壞了動壓潤滑的形成，加劇了軸頸的磨損。

同時，對機艙的管理漏洞也進行了深入的調(diào)查。根據(jù)主管輪機員的描述，該柴油機長期以來一直是做為備用機組使用的，基本上半個月左右才使用一段時間，運行時間較少。在檢查到潤滑系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)該柴油機的預潤滑油泵在開啟后很長一段時間后建立不了壓力，且建立后的壓力也不足0.2MPa(低于設定值0.25MPa)。最為關鍵的是預潤滑的低壓聯(lián)鎖保護也已失效，平時當值班機工啟動柴油機時沒有關注預潤滑油壓，只是簡單的把預潤滑油泵一開就直接啟動柴油機。

通過現(xiàn)場測量第四、五缸的軸頸和軸瓦幾何尺寸，計算出圓度和圓柱度，發(fā)現(xiàn)均已超出了說明書要求的極限值，至此，這起事故的根本原因已基本查明。柴油機曲軸在長時間停置后曲軸的摩擦副中已沒有殘留的油滴，冷車起動時沒有充分的預潤滑，啟動后到主油泵供油這段時間內(nèi)并沒有形成有效的邊界潤滑，軸頸與軸承之間產(chǎn)生干摩擦，加速了軸頸的磨損，嚴重時甚至產(chǎn)生粘著磨損。同時，此次故障之所以發(fā)生在第四、五缸，并不是偶然，也是有一定的原因的。因為機帶滑油泵一般多由自由端傳動，滑油是從第一缸曲軸開始供油，所以相對而言第四、五缸曲軸軸頸軸瓦處的滑油壓力最小，產(chǎn)生異常磨損的概率也最大。

4 柴油機的修復工作

(1)確定修復原則，進行初步修復。由于該機型是80年代生產(chǎn)，大部分的備件都需要定制，而且曲軸的造價又是相當昂貴，因此在保證強度的前提下，盡可能修復損傷的曲軸。首先由船上操作先去除黏著的軸瓦合金，利用船上現(xiàn)有的油石等工具鏟除、磨屑后拋光，以保證表面粗糙度。

(2)計算幾何誤差，確定修復工藝。根據(jù)測量結果，計算第四、五缸曲軸軸頸的最大圓度及圓柱度誤差分別為0.23 mm、0.38 mm。一般來說，柴油機曲軸軸頸直徑在Φ80mm以下，其圓度及圓柱度誤差超過0.025 mm，或者直徑在Φ80mm及以上，其圓度及圓柱度誤差超過0.040 mm的曲軸，均應按規(guī)定尺寸進行磨削。修理尺寸法是修復配合副零件磨損的常用方法。所謂修理尺寸法是將配合件中較重要的零件或較難加工的零件進行機械加工，消除其工作表面的損傷和幾何形狀誤差，使之具有正確的幾何形狀和新的基本尺寸 (修理尺寸)。依此修理尺寸制造與之配合的另一零件使二者具有原設計配合間隙值。根據(jù)以上計算以及船上備件中有加厚的三種軸瓦，分別加厚0.10 mm、0.25 mm、0.40 mm，決定對第四缸曲柄銷軸頸磨削約0.50 mm，第五缸曲柄銷軸頸磨削約0.80 mm，磨削量均在柴油機生產(chǎn)廠家允許的最大范圍內(nèi)。為保證表面粗糙度和形位公差的要求需聯(lián)系專業(yè)廠家進行曲柄銷頸的磨削。

(3)磨削后的強度校核。柴油機的曲柄銷軸頸直徑為Φ225 mm，依據(jù)船舶行業(yè)《船用柴油機修理技術標準》，軸頸d減少量超過0.01 d應當進行強度校核。依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》和《柴油機強度》中相鄰兩曲柄支撐等距、直列式整體鍛鋼曲軸強度核算公式求出理論最小軸徑(包含1.5倍安全系數(shù)，材料抗拉強度σb取下限)[3]:

(4)根據(jù)軸頸的修理尺寸選配加厚軸瓦。第四缸曲柄銷軸頸直徑磨削后為Φ224.50mm，可選用加厚0.25 mm的軸瓦。第五缸曲柄銷軸頸直徑磨削后為Φ224.20mm，可選用加厚0.40 mm的軸瓦。這樣保證了原有的正常軸承間隙，保證潤滑油膜的建立。

(5)按照柴油機修理裝配工藝進行裝配，并進行負荷試驗，檢驗修理質(zhì)量。

5 管理上采取的改進措施

故障解決后，根據(jù)故障發(fā)生的機理，找出機艙管理中存在的漏洞，提出如下改進措施:

(1)加強監(jiān)督管理，認真巡回檢查。對于老齡船舶，機艙設備一般都進入了磨損故障期，故障發(fā)生的概率大大提高，只有加強監(jiān)督管理，增強值班人員的責任心，才能在第一時間發(fā)現(xiàn)故障的現(xiàn)象，從而減少波及性故障的發(fā)生。

(2)端正工作態(tài)度，規(guī)范操作規(guī)程，提高檢修水平。設備發(fā)生故障的原因歸根到底大部分是由于人為因素造成的，機艙管理人員應提高安全意識，規(guī)范操作規(guī)程。特別是在設備的維護保養(yǎng)方面，一定要認真細致地檢查測量設備易損部件的狀態(tài)及尺寸，及時掌握設備運行工況的變化情況，從而能準確預判設備的實際狀況。

(3)培養(yǎng)情景意識，加強人、機、環(huán)境的管理。設備發(fā)生的故障往往不是獨立存在或偶然發(fā)生，都有其根本性的原因。只有充分加強輪機管理的關聯(lián)研究，對人、機、環(huán)境三者內(nèi)部關系有清楚的了解，“以不變應萬變”，才能使得輪機人員在任何時候都能對輪機參數(shù)的變化產(chǎn)生相應的“條件反射”，形成良好的情景意識，進行全面認識和預見[4]，才能抓住主要矛盾，采取有效的預防措施及時切斷形成的失誤鏈，從而提高整個機艙系統(tǒng)的整體可靠性。

6 結語

此次故障分析和處理讓我們深刻認識到加強機艙設備日常檢測和維護保養(yǎng)的重要性。特別是在分析判斷故障形成的原因中，要學會從人、機、環(huán)境等多角度進行信息收集，抓住形成故障的主要因素，及時識別失誤鏈的形成，并采取有效的手段切斷失誤鏈的某些環(huán)節(jié)，避免事態(tài)擴大化。希望為廣大機艙工作者提供一定的借鑒和參考。

[1]陳宏.柴油機“燒瓦”故障的原因和處理[J].內(nèi)燃機與配件，2012，11(3):31，37.

[2]滿一新.輪機維護與修理[M].大連:大連海事大學出版社，2000.

[3]王維信.某型柴油機曲軸強度校核與監(jiān)測分析[J].中國修船，2012，25(4):15－17.

[4]黃連忠.機艙資源管理[M].大連:大連海事大學出版社，2012.