船用柴油機(jī)曲軸的斷裂原因與處理探討

摘要：在船用柴油機(jī)中，曲軸是重要的零部件之一，可以將柴油機(jī)每個(gè)缸所做的功聚集在一起，再以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式傳遞出去。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，曲軸也存在著發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，會對船舶的正常運(yùn)行和船員的生命安全造成威脅?；诖?，本文分析了船用柴油機(jī)曲軸發(fā)生斷裂的原因，并針對預(yù)防柴油機(jī)曲軸斷裂的有效措施進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī);曲軸;斷裂原因;處理

中圖分類號：U664.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0176-02

0 ?引言

曲軸發(fā)生斷裂或其他不同程度的損壞，會對柴油機(jī)的正常運(yùn)行造成重大影響，從而危及到船舶的航行安全，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以當(dāng)事故發(fā)生時(shí)應(yīng)及時(shí)找到事故發(fā)生的原因，并采取針對性措施做好預(yù)防。

1 ?曲軸斷裂的部位和實(shí)例斷面分析

曲軸平時(shí)的工作條件比較惡劣，需要承受多種周期性變化的壓力，比如離心力、慣性力矩和氣體壓力等，并且承受的荷載較大，應(yīng)力比較集中，在實(shí)際工作過程中還會出現(xiàn)摩擦情況，因此對曲軸的材質(zhì)、加工工藝、表面粗糙度等都有較高的要求，如果其中某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會對曲軸的整體質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。一般情況下當(dāng)彎曲作用力施加到曲軸上面時(shí)，應(yīng)力都會集中在曲柄臂、曲柄銷和圓角部位，使得這些部位的強(qiáng)度降低，所以需要在曲柄臂和曲柄銷連接的部位設(shè)置過渡的圓弧，以此來降低集中的應(yīng)力[1]。圖1是一張船用柴油機(jī)曲軸斷裂的實(shí)拍照片，通過照片可以看出曲臂發(fā)生了斷裂。如果曲軸一開始出現(xiàn)了裂紋，當(dāng)曲軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)裂紋就會出現(xiàn)張合現(xiàn)象，經(jīng)過長時(shí)間的反復(fù)摩擦，裂紋擴(kuò)張到一定程度后就會發(fā)生斷裂，使得斷面的上部則比較粗糙，通過研究可以看出變形比較嚴(yán)重的部位是曲軸的中心線部位，這種情況下就會產(chǎn)生彎曲交變應(yīng)力，一旦曲軸超負(fù)荷運(yùn)行，突破了曲軸材料的承受能力，就會出現(xiàn)曲軸斷裂的情況，并且斷裂現(xiàn)象是在比較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。

2 ?船用柴油機(jī)曲軸斷裂的原因

長期遭受彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力引起材料“疲勞”是曲軸出現(xiàn)斷裂的主要原因。船用柴油機(jī)曲軸斷裂的具體原因有多種，可以概括為以下幾個(gè)方面：①材料自身質(zhì)量問題，比如有大量氣孔存在于內(nèi)部，雜質(zhì)含量較高等，從而引起曲軸斷裂，但曲軸在出廠之前都需要經(jīng)過嚴(yán)格的檢測，所以此種原因?qū)е虑S斷裂的情況不太常見。此外，曲軸鋼材料不具備比較好的致密度，會導(dǎo)致在進(jìn)行熱處理的過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，所以需要選擇熱工藝優(yōu)良的鋼材料。②機(jī)座變形一般情況下是由船體變形面引起，使得曲軸中心線超出了相應(yīng)的誤差標(biāo)準(zhǔn)范圍，最后導(dǎo)致曲軸發(fā)生斷裂。此種原因引起的曲軸斷裂現(xiàn)象在實(shí)際工作過程中比較常見，所以是引起曲軸斷裂的主要原因之一。③曲軸中心線和船舶軸系中心線之間的連接誤差超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，也會導(dǎo)致曲軸發(fā)生斷裂，并且在運(yùn)行過程中也經(jīng)常出現(xiàn)[2]。④曲軸表面裂紋引起曲軸斷裂，疲勞裂紋的產(chǎn)生到疲勞脆性斷裂的過程需要的時(shí)間非常短，在預(yù)防檢查工作中極難發(fā)現(xiàn)，這種情況在船用柴油機(jī)中出現(xiàn)的次數(shù)極少。⑤主軸承長時(shí)間使用產(chǎn)生了較大的磨損，而且磨損情況沒有規(guī)律，導(dǎo)致曲軸出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。因?yàn)樾⌒筒裼蜋C(jī)軸承價(jià)格較低，其更換過程也比較簡單，并且曲軸中心線受到主軸承磨損的影響較小，產(chǎn)生的附加彎曲交變應(yīng)力很難達(dá)到可以讓曲軸斷裂的程度，所以此種原因造成的斷裂情況也比較少見。⑥曲軸平衡塊的安裝工作不到位，在安裝過程中沒有嚴(yán)格遵循相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致安裝時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，讓曲軸的平衡性遭到破壞，需要承受巨大的慣性力。設(shè)有平衡軸的柴油機(jī)，平衡軸的主要作用就是控制和調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力，平衡軸的正常運(yùn)行是通過齒輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如果在安裝齒輪的過程中出現(xiàn)問題，就會加大柴油機(jī)的振動(dòng)，對曲軸造成巨大的沖擊，從而導(dǎo)致曲軸疲勞折斷。

3 ?船用柴油機(jī)曲軸斷裂的預(yù)防措施

3.1 因船體變形引起曲軸斷裂的預(yù)防措施

如果柴油機(jī)的缸徑較小，就不需要考慮曲軸臂之間的距離，并且測量的條件也得不到滿足，曲軸中心線誤差超出標(biāo)準(zhǔn)后不容易被發(fā)現(xiàn)，尤其是缸直徑超出150毫米的小型柴油機(jī)，具有較長的曲軸，由于缺乏相應(yīng)的測量方法，導(dǎo)致曲軸臂距差的測量工作無法進(jìn)行，并且船體也不是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變形，而是隨著時(shí)間的推進(jìn)慢慢出現(xiàn)變形現(xiàn)象，因此很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致柴油機(jī)的曲軸發(fā)生斷裂。如果想要有效預(yù)防曲軸斷裂，就要分析研究船體變形的前兆，通過研究小型柴油機(jī)曲軸斷裂實(shí)例，發(fā)現(xiàn)可以從以下幾個(gè)方面來判斷船體是否存在變形的風(fēng)險(xiǎn)。

第一，缸套數(shù)據(jù)測量異常：新缸套內(nèi)徑數(shù)值都在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，但當(dāng)它們運(yùn)行一段時(shí)間后，活塞會產(chǎn)生一個(gè)橫向側(cè)推力，對缸套造成一定影響，導(dǎo)致缸套出現(xiàn)不同程度的磨損情況，通過長時(shí)間觀察可以發(fā)現(xiàn)磨損現(xiàn)象大部分都是橫向的。在船體還沒有開始變形時(shí)，缸套會受到磨損的影響使得橫向尺寸變大，縱向尺寸基本保持不變。如果船體出現(xiàn)了較大的變形情況時(shí)，測量數(shù)據(jù)是缸套的橫向尺寸基本沒有變化，而縱向尺寸增大。基于此，輪機(jī)工作人員就可以將缸套尺寸變化情況作為判斷船體是否發(fā)生變形的重要依據(jù)[3]。第二，加大了吊缸套的難度。在缸套還未發(fā)生變形時(shí)，由于磨損的影響使得內(nèi)徑變成橢圓形狀，而缸套的外徑仍然是圓形，缸套上的橡膠水密封圈、缸套與機(jī)體之間的摩擦?xí)a(chǎn)生一定阻力，如果橡膠水密封圈變大，將其破壞掉就可以很輕松的吊出缸套，當(dāng)船體變形時(shí)也會導(dǎo)致缸套變形，這個(gè)時(shí)候就會讓吊缸套操作變得十分困難。因此，可以通過吊缸套的難度來判斷船體是否變形。第三，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，活塞在環(huán)槽中容易出現(xiàn)卡死的情況，一旦船體發(fā)生變形問題后，會在一定程度上改變缸套的尺寸，尤其是對于新缸套來說受到的影響更大，會導(dǎo)致缸套的橫向或縱向尺寸變小，同時(shí)還會影響到缸套和活塞之間的空隙大小，在柴油機(jī)正常運(yùn)行的過程中，活塞受到加熱就會逐漸膨脹變大，當(dāng)達(dá)到一定程度后就會在環(huán)槽內(nèi)卡死。所以，在對船體變形情況進(jìn)行判斷時(shí)，還能夠?qū)⒒钊惓？ㄋ垃F(xiàn)象作為判斷的依據(jù)。

3.2 船舶軸系中心線和曲軸中心線的連接誤差引起曲軸斷裂

針對這種原因?qū)е碌那S斷裂情況，可以定期對軸系和主機(jī)之間的連接誤差進(jìn)行檢查，并做好記錄工作，如果發(fā)現(xiàn)誤差超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，就需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行全面分析，找到出現(xiàn)誤差的原因，如果輪機(jī)工作人員找不到曲軸斷裂的原因，面對這種情況束手無策時(shí)，就應(yīng)該交由船廠進(jìn)行處理。在船舶進(jìn)行修理的過程中，船廠應(yīng)對三線進(jìn)行核對，當(dāng)修理工作完成之后，輪機(jī)工作人員還要反復(fù)檢測維修結(jié)果，并將問題原因以及維修內(nèi)容做好記錄，嚴(yán)格控制軸系中心線偏差，保證符合相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 合理使用熱處理技術(shù)

對曲軸表面進(jìn)行強(qiáng)化處理是曲軸熱處理技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，通常情況下，可以利用正火對球墨鑄鐵曲軸進(jìn)行處理，為表面處理工作打下基礎(chǔ)，感應(yīng)淬火或氮化工藝是進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的常用方法。在熱處理過程中，應(yīng)保證不出現(xiàn)差錯(cuò)，如果淬火冷卻時(shí)間較短，就會有大量的上貝體和鐵素體組織產(chǎn)生，從而對曲軸自身的強(qiáng)度和硬度造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致韌度下降，在后續(xù)的使用過程中就容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

3.4 保證曲軸鑄鍛毛坯質(zhì)量

曲軸自身的強(qiáng)度和硬度會受到曲軸鑄鍛毛坯自身質(zhì)量的影響，在對毛坯進(jìn)行鑄鍛的過程中需要注意以下幾個(gè)方面：第一，需要確保鑄件結(jié)構(gòu)簡化，模斜度具有一定的科學(xué)性及合理性，嚴(yán)格控制分型面數(shù)量。第二，將鑄造圓度控制在合理范圍內(nèi)，確保不會有棱角出現(xiàn)。第三，根據(jù)實(shí)際需要嚴(yán)格控制鑄件臂的厚度，確保厚度保持均勻，符合相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)。第四，強(qiáng)肋的自身厚度以及分布情況要合理，防止在冷卻的過程中鑄件出現(xiàn)裂紋或變形的情況。因?yàn)榍S自身的強(qiáng)度與毛坯質(zhì)量有直接關(guān)系，如果強(qiáng)度達(dá)不到要求就容易發(fā)生裂紋，最后導(dǎo)致曲軸出現(xiàn)斷裂問題。因此，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定要求開展毛坯鑄鍛工作，為曲軸質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.5 做好曲軸潤滑處理

通常情況下，曲軸的斷裂并不是在一瞬間發(fā)生的，而是由于斷裂之前出現(xiàn)了裂紋情況，然后裂紋經(jīng)過慢慢發(fā)展最后才導(dǎo)致曲軸斷裂，所以在正常運(yùn)行過程中需要加強(qiáng)對裂紋的重視，采取有效措施預(yù)防裂紋的產(chǎn)生。潤滑條件不足是出現(xiàn)裂紋的主要原因，比如潤滑劑質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、潤滑劑老化和潤滑劑受到污染等，這些情況都會對潤滑劑的質(zhì)量和使用效果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致潤滑條件惡化，從而使得曲軸各個(gè)零部件之間的摩擦加劇，最后導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。因此，應(yīng)選擇質(zhì)量較好的潤滑劑，確保潤滑劑的作用可以得到充分發(fā)揮，有效防止裂紋現(xiàn)象的發(fā)生。

3.6 柴油機(jī)大修檢測，加強(qiáng)日常管理

柴油機(jī)在較長時(shí)間的使用之后，需要定期開展維修保養(yǎng)工作，在對柴油機(jī)進(jìn)行維修保養(yǎng)的過程中，輪機(jī)工作人員應(yīng)加強(qiáng)對裂紋現(xiàn)象的重視，對曲軸表面進(jìn)行全面檢查，不放過任何一個(gè)可疑的地方，一旦發(fā)現(xiàn)曲軸出現(xiàn)裂紋就要對其進(jìn)行更換。做好曲軸的清潔工作，對主軸頸和曲柄銷頸圓度進(jìn)行測量，如果測量結(jié)果不符合相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)，就要更換曲軸。曲軸彎曲塑性變形檢測工作需要在平板上面進(jìn)行，在檢測過程中還要開展校正作業(yè)，全面檢查和測量主軸承和曲柄銷軸承，如發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。在日常管理工作中，應(yīng)嚴(yán)格按照柴油機(jī)的保養(yǎng)規(guī)定開展工作，定期開展曲軸和軸承的全面檢查工作，仔細(xì)觀察它們的運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)存在異常情況就需要及時(shí)采取有效措施予以解決，并在輪機(jī)日志中記錄下來。還要全面檢查主機(jī)、齒輪箱和軸承等螺絲松緊度，確保不會出現(xiàn)螺絲松動(dòng)的情況。注意查看軸系振動(dòng)情況，如發(fā)現(xiàn)振動(dòng)異常應(yīng)找到原因并及時(shí)處理，嚴(yán)格控制柴油機(jī)的工作時(shí)間，避免出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行。

4 ?結(jié)語

柴油機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，與其他熱機(jī)比較來說具有很好的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢，自從面世以來就得到了廣泛的應(yīng)用，極大的推動(dòng)了航海事業(yè)的發(fā)展。柴油機(jī)曲軸工作質(zhì)量能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)的正常運(yùn)行造成直接影響，如果曲軸發(fā)生斷裂會導(dǎo)致船舶無法正常航行，并且嚴(yán)重威脅到全體船員的生命安全。因此，在日常運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)對曲軸的管理和維護(hù)，定期開展曲軸的全面檢查工作，采取有效措施提升柴油機(jī)的使用壽命，為船舶的安全航行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而促進(jìn)我國航海事業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

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作者簡介：馮立文（1973-），男，廣西北海人，壯族，工程師，研究方向?yàn)榇貌裼蜋C(jī)的修理。