HXN5型機(jī)車活塞組件連接螺栓斷裂的分析

鄭敦洋 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥機(jī)務(wù)段

1 概述

HXN5型機(jī)車的16個(gè)動(dòng)力組是柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)件的重要組成部分，而活塞組件是整個(gè)動(dòng)力組做功的關(guān)鍵部件，它一方面與氣缸套組成燃燒容積，配合形成合理的壓縮比，給高溫燃?xì)馓峁┏浞值娜紵臻g；另一方面又承受著高溫燃?xì)獾呐蛎涀龉毫Γ瑤?dòng)連桿組做往復(fù)循環(huán)直線運(yùn)動(dòng)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能向外輸送。

追蹤分析我段發(fā)生的幾起HXN5型機(jī)車柴油機(jī)大破故障，發(fā)現(xiàn)活塞連接螺栓斷裂是造成事故的直接原因。在整個(gè)活塞組件中，活塞頭與活塞體通過(guò)四根高強(qiáng)度連接螺栓連接成一體，螺栓的質(zhì)量好壞是整個(gè)柴油機(jī)工作性能的重要保證。一旦螺栓發(fā)生斷裂，則該缸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的平衡打破，活塞頭與活塞體易發(fā)生分離，造成柴油機(jī)大破。

通過(guò)對(duì)斷裂的螺栓進(jìn)行深入分析，找出了造成螺栓斷裂的原因有自身材質(zhì)不過(guò)關(guān)、組裝不合格及油質(zhì)的清潔度不達(dá)標(biāo)等。

活塞組連接螺栓斷裂后造成柴油機(jī)大破的過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 活塞組連接螺栓斷裂后造成柴油機(jī)大破的過(guò)程

2 連接螺栓斷裂原因

2.1 自身材質(zhì)原因

活塞組件主要由活塞頭、活塞體、活塞裙、活塞銷和活塞環(huán)等組成，活塞頭與活塞體之間以高強(qiáng)度螺栓緊固，活塞銷置于活塞體和活塞裙的活塞銷孔里，屬浮動(dòng)式活塞銷，在活塞裙的活塞銷孔兩側(cè)裝有擋圈，用于限制活塞銷的軸向串動(dòng)?；钊敒闇\W形狀，與噴油器的多孔噴嘴所噴射的油束相配合，使氣缸內(nèi)的空氣與燃油充分接觸和燃燒。

在柴油機(jī)的活塞連桿組作功過(guò)程中，活塞頭與活塞體的連接螺栓受到活塞頂?shù)母邷馗邏簾嶝?fù)荷、活塞銷的機(jī)械壓力和拉力以及活塞的慣性力等復(fù)合力的作用，另外活塞銷座頂平面與活塞頂下部環(huán)形平面之間，雖然由于螺栓的緊固而密貼配合，但燃?xì)鈮毫?huì)引起二者間的相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致活塞銷支承面的微振磨損。

同時(shí)在熱負(fù)荷作用下，環(huán)形接觸面內(nèi)側(cè)會(huì)翹曲脫開(kāi)而產(chǎn)生楔形縫隙又加大了聯(lián)接螺栓的剪切力。如果螺栓的材質(zhì)達(dá)不到要求，在長(zhǎng)期的熱負(fù)荷作用下，螺栓易產(chǎn)生疲勞，應(yīng)力集中在螺栓的薄弱處產(chǎn)生裂紋，在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受高溫及交變應(yīng)力的沖擊，裂紋擴(kuò)大最終斷裂，活塞螺栓斷裂后在長(zhǎng)時(shí)間的高頻率運(yùn)動(dòng)中使活塞體與活塞頭完全脫離，脫離的活塞頭與活塞體不斷撞擊活塞裙和缸套使活塞裙和缸套破碎，活塞裙破碎后使活塞銷在安裝座失去控制，活塞銷不斷來(lái)回沖擊使卡簧扭曲，活塞銷串出脫落，連桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生扭曲在大小端過(guò)渡處發(fā)生斷裂，最終可能打壞機(jī)體造成大破。

例：2016年9月27日 HXN5-0300機(jī)車L3缸活塞連桿組破損造成柴油機(jī)大破。

外觀檢查機(jī)車，發(fā)現(xiàn)機(jī)車水箱無(wú)水，柴油機(jī)左3、右3防爆閥打開(kāi)，左3連桿斷裂，活塞碎，連桿瓦蓋緊固螺栓斷裂，曲軸拉傷，連桿瓦碾。

分析認(rèn)為：可能是左3缸活塞體與活塞頭的四根連接螺栓存在缺陷，在活塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有一根連接螺栓斷裂造成活塞頭與活塞體產(chǎn)生位移，在長(zhǎng)時(shí)間的高頻率運(yùn)動(dòng)中拉斷其它三根連接螺栓，使活塞體與活塞頭完全脫離，脫離的活塞頭與活塞體不斷撞擊缸套使缸套破碎，另在撞擊過(guò)程中使活塞銷卡簧斷裂，活塞銷串出從曲軸箱蓋安裝孔處飛出，同時(shí)在活塞撞擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，連桿產(chǎn)生扭曲變形而發(fā)生斷裂，連桿小端從右3缸曲軸箱蓋安裝孔處甩出。

連桿在扭曲和斷裂過(guò)程中，使連桿瓦的潤(rùn)滑油外泄，連桿瓦得不到潤(rùn)滑產(chǎn)生擠壓碾成刀片狀碾片并不斷啃壓曲軸造成曲軸產(chǎn)生損傷，連桿在扭曲過(guò)程中造成瓦蓋連接螺栓切斷，瓦蓋脫落。

2.2 組裝原因

活塞體由球墨鑄鐵制成，主要用于支撐活塞頭與活塞銷。球墨鑄鐵活塞體相對(duì)鋁活塞體，一是其重量相對(duì)較大，二是其活塞銷孔可承受更高的壓比，因而對(duì)螺栓的組裝要求也會(huì)更高。

按工藝螺栓擰緊要求：螺紋和螺栓安裝面涂適量莫尼卡潤(rùn)滑劑G-n-plus或莫尼卡（MOLYKOTE）潤(rùn)滑劑。按對(duì)角線順序擰緊螺栓至40 nm。完全松開(kāi)所有螺栓。按對(duì)角線順序再次擰緊螺栓至15 nm。再將螺栓擰轉(zhuǎn)90°±1°（參考扭矩為55 nm±15 nm），4根螺栓擰緊扭矩差不大于10 nm。

控制檢查：

當(dāng)施以35Nm的擰緊力矩時(shí)，螺栓不得轉(zhuǎn)動(dòng)。

要求組裝后的螺栓的預(yù)應(yīng)力為42 kN。

當(dāng)某一個(gè)螺栓的緊固力矩達(dá)不到要求或4個(gè)螺栓的緊固力矩不一致時(shí)，螺栓所受到的拉力和熱應(yīng)力也不一致，螺栓的運(yùn)動(dòng)平衡將會(huì)破壞?；钊B桿組在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中活塞頭與活塞體將會(huì)產(chǎn)生微量蠕動(dòng)，由于螺栓受到的應(yīng)力不一致，蠕動(dòng)量也會(huì)發(fā)生偏差，長(zhǎng)時(shí)間的微量蠕動(dòng)偏差達(dá)到極限時(shí)將破壞平衡發(fā)生質(zhì)變。

偏差大的螺栓將會(huì)發(fā)生裂紋，裂紋擴(kuò)大后拉斷螺栓使活塞組平衡破壞，造成活塞頭與活塞體分離，活塞體與連桿組在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中沖擊活塞頭，活塞頭沖擊氣缸蓋底面。使氣閥受損卡滯，氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)件破損。而活塞體與連桿組在向下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于失去平衡產(chǎn)生巨大的沖擊，使氣缸套破損，連桿組產(chǎn)生扭曲而斷裂?；钊c連桿裂塊不斷打擊機(jī)體其它部位造成機(jī)車大破。

例：2016年11月5日 HXN5-0288機(jī)車L7缸活塞連桿組破損造成柴油機(jī)大破。

外觀檢查柴油機(jī)左7缸曲軸箱蓋打開(kāi)，左7缸連桿在大端與小端過(guò)渡處斷裂，曲軸上有輕微拉傷、磨損，連桿瓦狀態(tài)良好，連桿大端連接螺栓緊固，螺栓頭處磨損?；钊茡p，活塞頭卡在機(jī)體內(nèi)頂端，活塞體與活塞裙部破裂成大量碎塊，活塞銷卡簧彎曲變形，活塞銷表面磨損，油堵正常，活塞頭與活塞體四根連接螺栓斷裂，其中有2根從絲扣處斷裂，1根完整但有拉伸現(xiàn)象，另1根找不到。機(jī)體處與凸輪軸連接處破損，內(nèi)側(cè)有破損，水腔、油腔處未發(fā)現(xiàn)明顯破損。缸套嚴(yán)重破損成大量碎塊。R7缸處連桿與活塞裙部有輕微破損。

分析認(rèn)為：此起故障是由于柴油機(jī)左7缸活塞體與活塞頂4根連接螺栓斷裂，活塞頂安裝螺栓斷裂后在長(zhǎng)時(shí)間的高頻率運(yùn)動(dòng)中使活塞體與活塞頭完全脫離，脫離的活塞頂與活塞體不斷撞擊活塞裙和缸套使活塞裙和缸套破碎，活塞裙破碎后使活塞銷在安裝座失去控制，活塞銷不斷來(lái)回沖擊使卡簧扭曲，活塞銷串出脫落，連桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生扭曲在大小端過(guò)渡處發(fā)生斷裂。破碎的各種碎塊沖擊機(jī)體和R7缸運(yùn)動(dòng)件，使機(jī)體和R7缸運(yùn)動(dòng)件發(fā)生破損同時(shí)，活塞、缸套破損以后，燃燒室高壓燃?xì)飧Z入曲軸箱，導(dǎo)致曲軸箱壓力升高，COP動(dòng)作，造成柴油機(jī)停機(jī)。

后經(jīng)廠家協(xié)議，吊修其它15個(gè)缸的活塞連桿組檢查活塞頭與活塞體的連接螺栓狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)連接螺栓的緊固力矩不符合要求，所以總結(jié)是由于活塞連接螺栓的組裝原因不當(dāng)造成機(jī)車大破。

2.3 油質(zhì)原因

在活塞組件中，活塞體上部與活塞頭下部共同形成中間和外圍兩個(gè)冷卻油腔，由連桿來(lái)的潤(rùn)滑油經(jīng)活塞銷孔里的油孔進(jìn)入外圍油腔，用于冷卻活塞環(huán)槽和活塞頂。

另外，通過(guò)活塞體上的橫向油孔進(jìn)入中間油腔，去冷卻活塞頂中部。油腔緊靠活塞環(huán)槽，可以有效地降低活塞環(huán)和環(huán)槽的工作溫度，從而減小活塞環(huán)及環(huán)槽的磨損，避免活塞環(huán)彈性松弛和粘結(jié)等故障的產(chǎn)生。

在外圍油腔，活塞體和活塞頭之間用橡膠圈密封?；钊^內(nèi)腔的外周是一個(gè)環(huán)形冷卻油腔，油腔的外周還設(shè)有許多油孔通向活塞頂內(nèi)壁，壓力油經(jīng)上述油腔和油孔去冷卻活塞環(huán)槽和活塞頂。冷卻油腔內(nèi)設(shè)置的向上斜油孔，可有效冷卻活塞頭的頂部和上部圓柱面，避免頂部過(guò)熱而出現(xiàn)裂紋和由于圓柱面受熱膨脹而產(chǎn)生抱缸故障。

活塞頭內(nèi)腔中央與活塞體頂面形成一個(gè)較大冷卻油腔和冷卻表面，用進(jìn)入此油腔的油去冷卻活塞頂中部。環(huán)形油腔與中部油腔之間有一個(gè)環(huán)形凸臺(tái)，它上面設(shè)有螺紋孔和定位銷孔，通過(guò)螺栓和墊圈把活塞頭與活塞體連接起來(lái)，活塞體與活塞頭之間用定位銷定位。

當(dāng)工作油油質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)入到油腔的工作油在高溫作用下形成的油膜達(dá)不到要求，不能有效地對(duì)活塞頂和活塞體進(jìn)行冷卻，使各部的受熱不均勻，熱量散發(fā)慢，應(yīng)力增加，螺栓又是整個(gè)活塞組件中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所受到的交變應(yīng)力本身較大，再加上額外增加的其它應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度增大，螺栓疲勞到極限時(shí)發(fā)生裂紋拉斷螺栓造成大破。

另外如果工作油中含有細(xì)微雜質(zhì)，雜質(zhì)隨著工作油進(jìn)入各油腔，一是加劇油腔內(nèi)壁的磨損，使雜質(zhì)含量更加增多，二是雜質(zhì)積累到一定程度時(shí)會(huì)阻礙油路的暢通，使工作油不能正常循環(huán)流動(dòng)，冷卻效果下降?；钊M的熱量不能及時(shí)散發(fā)，熱應(yīng)力急劇增加。而雜質(zhì)一旦進(jìn)入螺栓的螺紋孔徑中，會(huì)粘附在螺紋孔內(nèi)，使螺栓的絲扣部分與螺紋孔接觸面積減少，在螺栓緊固過(guò)程中螺栓的螺紋部分受到擠壓，螺栓發(fā)生變形，降低了螺栓的強(qiáng)度，長(zhǎng)期在高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中使螺栓發(fā)生拉伸變形剪切，剪切后造成頂裙分離柴油機(jī)大破。

3 結(jié)束語(yǔ)

在前期HXN5型機(jī)車發(fā)生的柴油機(jī)大破中，我們認(rèn)真檢查分析，總結(jié)了活塞組故障造成柴油機(jī)大破的原因，并制定對(duì)應(yīng)措施投入實(shí)踐，如與廠家建議用高質(zhì)量的螺栓、制定科學(xué)的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)等。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，目前我段HXN5型機(jī)車在柴油機(jī)問(wèn)題上出現(xiàn)的故障次數(shù)大幅降低。