和諧型機(jī)車柴油機(jī)凸輪軸齒輪螺栓斷裂分析

羅瑛瑯 白余圣 沈海琴

摘 ?要：通過對某和諧型機(jī)車柴油機(jī)凸輪軸齒輪螺栓斷裂進(jìn)行分析，找出失效的主要原因，采取有效措施進(jìn)行預(yù)防。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);齒輪;螺栓斷裂;分析

1 ?問題的提出

某公司大修的和諧型機(jī)車，在客戶運(yùn)用過程中多次發(fā)生柴油機(jī)凸輪軸齒輪螺栓松脫斷裂故障。根據(jù)故障數(shù)據(jù)，從機(jī)車走行公里數(shù)、間隔時(shí)間看，螺栓斷裂為隨機(jī)性。最短的走行1萬公里、出廠1個月;最長的走行了18.8萬公里、出廠14個月。螺栓斷裂的位置基本相同，從桿身與螺栓頭部的過渡圓弧處斷裂。目視斷口，沒有明顯的疲勞貝紋線（圖1）。

2 原因分析

2.1 螺栓材質(zhì)分析

將標(biāo)識1#的斷裂螺栓檢測分析，金相、硬度、化學(xué)成分、表面脫碳層、非金屬夾雜物，均符合相關(guān)技術(shù)要求。螺栓斷口為脆性斷裂。將斷裂螺栓斷口面用電鏡掃描，斷口面無明顯的機(jī)械損傷，無孔洞，無夾渣等原材料缺陷。

裂紋源及附近表面金相組織如圖2所示，為回火索氏體+少量顆粒狀碳化物，表面無脫碳現(xiàn)象。螺栓芯部組織如圖3所示，為回火索氏體+少量顆粒狀碳化物。

將斷裂螺栓螺栓試樣縱向進(jìn)行磨拋后在顯微鏡下觀察，根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)方法》，非金屬夾雜物評級結(jié)果為：A0，B0，C0，D1.0。如圖4。

斷裂螺栓硬度檢測結(jié)果： 42.5，42.5，42.5 HRC。符合GB/T 3098.1-2010 《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》其中性能等級12.9等級螺栓硬度39-44 HRC要求。

在斷裂螺栓上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如下：

根據(jù)GB/T 3098.1-2010 《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》，其中性能等級為12.9級螺栓的材料化學(xué)規(guī)定，C： 0.28-0.50，P：≤0.025，S：≤0.025。合金鋼中至少應(yīng)含有下列的一種元素，其最小含量分別為：Cr 0.30%，Ni 0.30%，Mo 0.20%，V 0.10%。當(dāng)含有二、三或四種復(fù)合的合金成分時(shí)，合金元素的含量不能少于單個合金元素總和的70%。斷裂螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 螺栓檢查

抽查未斷裂的螺栓，螺紋尺寸符合要求。查看螺栓外觀，個別螺栓安裝面的邊緣存在磕碰傷高點(diǎn)（圖5），同時(shí)，在斷裂螺栓也發(fā)現(xiàn)螺栓安裝面邊緣有碰傷高點(diǎn)已被磨平的痕跡（圖6）。該高點(diǎn)的存在，螺栓安裝后會對螺栓形成偏載，發(fā)生螺栓松動、斷裂。對螺栓制造現(xiàn)場審查，螺栓為流水線下料、滾絲，螺栓成型后再進(jìn)行熱處理。螺栓成型后自動掉落到一個鐵框內(nèi)，鐵框內(nèi)無相關(guān)的軟體防護(hù)，容易造成螺栓的磕碰傷。且螺栓發(fā)料出庫時(shí)，沒有對螺栓進(jìn)行外觀檢查的流程。

2.3 螺栓組裝工藝檢查

凸輪軸齒輪組裝、螺栓緊固的工藝流程已執(zhí)行近12年，相關(guān)要求明確、可執(zhí)行。故障發(fā)生后，跟蹤了近1個月的執(zhí)行情況，現(xiàn)場按工藝要求執(zhí)行。

2.4 檢修過程分析

故障機(jī)車均是大修后，柴油機(jī)凸輪軸齒輪螺栓斷裂故障次數(shù)明顯增加，調(diào)查方向聚焦于檢修過程的控制。通過調(diào)查分析，主要存在以下兩個檢修控制不到位的問題：一是與螺栓配合的個別螺紋孔狀況不良;二是凸輪軸齒輪定位凸圓表面存在磕碰傷高點(diǎn)。

個別狀況不良的螺紋孔，雖然通規(guī)通不過，但是螺栓可以擰入。螺栓擰進(jìn)去后，因螺紋的配合存在異常，在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，螺栓會發(fā)生松動，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓斷裂。

根據(jù)圖紙尺寸，凸輪軸齒輪定位凸圓的底面與定位孔底面的間隙為0.5-1.2mm。凸輪軸齒輪定位凸圓邊緣若存在磕碰傷高點(diǎn)未消除，當(dāng)磕碰傷高點(diǎn)的高出度超出了兩者的間隙，凸輪軸齒輪安裝后會形成“傾斜”，造成凸輪軸齒輪螺栓偏載，導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)用過程中螺栓斷裂。前期凸輪軸齒輪檢修工藝流程不完善，對定位凸圓的檢修沒有予以明確，存在磕碰傷高點(diǎn)沒有消除的問題（圖7）。

2.5 原因分析

綜合上述的調(diào)查分析，造成柴油機(jī)凸輪軸齒輪螺栓松動斷裂的原因有：一是螺紋孔狀況不良，二是螺栓載荷異常。造成螺栓載荷異常的原因是：凸輪軸齒輪定位凸圓磕碰傷高點(diǎn)未消除、螺栓安裝面邊緣磕碰傷高點(diǎn)未消除。

3 ?改進(jìn)措施

查明原因后，采取了以下措施：一是完善螺紋孔的檢修過程控制，用通規(guī)檢查與凸輪軸齒輪配合的螺紋孔狀況，若存在異常，將螺紋孔用絲攻修復(fù)處理;二是完善凸輪軸齒輪的檢修工藝流程，補(bǔ)充定位凸圓外觀檢查的具體要求，若有磕碰傷高點(diǎn)，需打磨消除。另外，增加凸輪軸齒輪安裝前對定位凸圓外觀檢查流程，檢查后對齒輪實(shí)物進(jìn)行拍照留存，確保過程執(zhí)行到位;三是完善螺栓制造過程中的防護(hù)，在鐵框內(nèi)放置橡膠墊，防止螺栓成型后發(fā)生磕碰傷，同時(shí)在螺栓出庫發(fā)料時(shí)，逐個檢查螺栓的外觀，將安裝面存在磕碰傷問題的螺栓予以剔除。四是凸輪軸齒輪安裝前增加對螺栓安裝面邊緣進(jìn)行外觀檢查的流程，防止有磕碰傷的螺栓被裝用。

另外，在凸輪軸齒輪組裝過程中，為了預(yù)防螺栓緊固力矩執(zhí)行不到位的問題發(fā)生，在齒輪安裝后，增加了專職檢查人員對力矩的抽查流程，每個齒輪隨機(jī)抽查5個螺栓的力矩，若發(fā)現(xiàn)有螺栓力矩達(dá)不到工藝要求，將該齒輪的螺栓全部松開，重新按工藝要求緊固。

4 結(jié)束語

通過對螺栓斷裂故障進(jìn)行調(diào)查分析，針對性的制定了相應(yīng)性的改進(jìn)措施。上述措施執(zhí)行后檢修出廠的機(jī)車，凸輪軸齒輪螺栓未再發(fā)生松脫斷裂故障，效果明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]李人憲，車用柴油機(jī)，北京：中國鐵道出版社，1999.9

作者簡介：

羅瑛瑯（1981- ），男，高級工程師，本科。

2698500511296