陳 予,張厚維,劉 徽,葉天文,肖 杰,譚 斌,陳 濤,蘆永凱
(1.中國鐵路武漢局集團有限公司武昌南機務(wù)段,湖北武漢 430064;2.中國鐵路武漢局集團有限公司機務(wù)部,湖北武漢 430071)
DF7C5414機車柴油機在磨合試驗中,油壓油溫正常、軸瓦潤滑狀態(tài)良好。進入全負荷期1000 r/min 運行3.5 min,柴油機自由端油封蓋冒煙。分解柴油機,自由端油封蓋與曲軸傳動齒輪軸頸磨損,A6 缸(以下簡稱“A6”)、B6 缸(以下簡稱“B6”)連桿瓦失效。
A6 連桿頸主承載區(qū)發(fā)黑、發(fā)藍,表現(xiàn)出明顯的摩擦特征,A6 軸頸磨損情況比B6 嚴重(圖1)。A6 主磨損區(qū),軸徑Ф194.32~194.40 mm(曲軸連桿軸頸)。
圖1 A6—B6 缸連桿頸磨損
(1)上瓦主負荷區(qū)磨損,急劇聚熱高溫形貌,瓦背發(fā)黑面過半,失效軸瓦厚度3.80~3.63 mm(原瓦5.05 mm)(圖2)。軸瓦間在高速高負荷下運轉(zhuǎn),合金面金屬物質(zhì)被快速銷磨(圖3)。下瓦合金面磨損,磨損量及過熱程度小于上瓦,且A6 下瓦背與大端孔座接觸狀態(tài)良好(圖4)。
圖2 A6 上瓦背過熱
圖3 A6 上瓦合金面磨損
圖4 A6 下瓦失效情況
(2)甄別確認連桿及軸瓦全部測量組裝數(shù)據(jù),符合規(guī)定技術(shù)要求。柴油機經(jīng)空載負荷各階段磨合,軸瓦已具備相關(guān)屬性性能,連桿檢修及軸瓦組裝各項工藝工序得到檢驗。
(3)失效主要表象是上、下瓦內(nèi)圓合金與軸頸磨擦,合金物質(zhì)被快速磨掉脫落直接成為磨屑。高溫傳導(dǎo)使瓦背受熱發(fā)黑,原因是瓦與軸頸處半干油膜或無油膜零游隙,且柴油機高速全載荷。
(4)失效類型為直接接觸磨損。
(1)B6 上、下瓦失效情況勻好于A6,但上、下瓦背面勻有過熱發(fā)黃現(xiàn)象(圖5)。
圖5 B6 上、下瓦背面
(2)受A6 上瓦高熱傳導(dǎo)輻射,B6 上瓦合金面膨漲,游隙變小,靠近A6 側(cè)上瓦部分,過熱量大于另側(cè)。這部分合金先發(fā)生熱疲勞引發(fā)裂紋,少量剝離,游隙變小,合金面進入半干摩擦,化錫合金面剝離失效。熱量快速傳導(dǎo)下瓦,引發(fā)合金面熱疲勞剝離,脫落物質(zhì)參入碾磨損合金面(圖6)。
圖6 B6 上瓦和下瓦失效
(3)失效類型為合金熱疲勞,剝離失效。
(1)瓦軸間游隙、油膜變小或瞬間為零,由液體摩擦迅速轉(zhuǎn)變軸瓦間接觸摩擦,高溫使合金面膨漲或化錫剝落,增大接觸磨損面積及強度。如果A6 磨損面高熱發(fā)黑,軸瓦主承載區(qū)與軸頸將直接急劇摩擦(圖7),高溫傳導(dǎo)瓦背及大端孔聚熱,會殃及下瓦。高熱輻射傳導(dǎo)給B6 軸瓦,引發(fā)B6 軸瓦失效(圖8)。
圖7 A6 上瓦形貌
圖8 B6 上瓦形貌
(2)合金面表面特征:合金面磨損痕跡突出,瓦面快速受熱化錫,合金剝離。
(3)對比背面熱量分布,A6 背面發(fā)黑面大于B6 背面。原因是A6 軸瓦受熱高于B6、A6 上瓦磨損重于B6,所以A6 先于B6軸瓦失效。
(1)柴油機進入全負荷約3.5 min,自由端油封蓋冒煙,觀察油封蓋摩擦程度,靠柴油機右側(cè)磨損量比左側(cè)深0.2~0.15 mm,說明運轉(zhuǎn)時曲軸向右偏擺(圖9)。
圖9 磨損痕跡
(2)曲軸傳動齒輪軸頸磨擦油封蓋,軸頸深溝磨痕,發(fā)黑發(fā)藍,屬瞬間劇烈摩擦(圖10)。
圖10 曲軸傳動齒輪軸頸磨損
(3)蓋座孔內(nèi)右側(cè)半圓區(qū)磨損明顯,磨損部位對應(yīng)曲軸45°、135°轉(zhuǎn)角。傳動齒輪軸頸與油封蓋最下點磨損痕跡,對應(yīng)A6—B6連桿頸下止點轉(zhuǎn)角。曲軸運轉(zhuǎn)過程中,發(fā)生偏甩現(xiàn)象,A6—B6 連桿頸運轉(zhuǎn)相位與傳動齒輪軸頸磨損部位同步。傳動齒輪軸頸處最下點正是A5—B5 連桿頸處正爆發(fā)做功,動能最大。曲軸傳動齒輪軸頸在最下點與油封蓋互磨,與A6—B6 連桿頸做功無關(guān)聯(lián)(圖11)。
圖11 連桿旋轉(zhuǎn)相位
油封蓋右側(cè)磨損角度正對應(yīng)連桿頸,A6—B6 上瓦受力承載由上始點向下始點運轉(zhuǎn)時間區(qū)段,此時曲軸連桿頸軸線向右偏甩,A6 上瓦處重載區(qū),連桿頸軸瓦間游隙最小,A6上瓦被迫與軸頸發(fā)生接觸磨損,瓦與軸頸發(fā)生接觸性摩擦快速失效。
觀察第一位主軸瓦,發(fā)現(xiàn)下瓦外側(cè)邊緣有徑向條帶狀痕跡寬8.4 mm、長2/5 圓周(圖12)。曲軸傳動齒輪軸頸(硅油減振)自由磨損部位,與A6、B6 下止點同角度。此時曲軸轉(zhuǎn)角A6、B6 不能產(chǎn)生向下最大動能[2]。主軸瓦沒有接受垂直徑向載荷客觀條件,不能對下瓦邊緣產(chǎn)生掃磨。只有曲軸系受外力作用才能使曲軸自由端下沉,使軸瓦邊緣區(qū)低游隙狀態(tài),制造邊緣痕跡。
圖12 軸瓦外邊緣痕跡
觀察其他6 位主軸瓦上下瓦潤滑狀態(tài)良好。說明傳動齒輪軸頸與油封蓋相磨,是受自由端外加力系作用,柴油機升降速時,軸系統(tǒng)振動偏甩幅值與A6—B6 連桿頸振動峰值同步。
測量曲軸傳動齒輪軸頸法蘭端面,端面水平跳動量0.16~0.3 mm 曲軸傳動齒輪軸頸法蘭面,在高速重載運轉(zhuǎn)中受外力扭曲變形。拆檢曲軸硅油減振器全面檢查各部件狀態(tài)良好,符合規(guī)定技術(shù)要求。
這再次證明曲軸系統(tǒng)受外部附加力系作用發(fā)生偏甩現(xiàn)象。
當A6 缸正爆發(fā)下行時,曲軸連桿頸軸線右偏,A6 缸上瓦磨損起始,軸瓦間游隙迅速減小,上瓦主承載區(qū)直接與軸頸半干或干摩擦,磨損失效。瓦背聚熱高熱,說明是直接接觸磨損。另外,曲軸被扯拽向下偏甩過限,傳動齒輪軸頸與油封端蓋相互磨損。
(1)曲軸傳動齒輪軸頸法蘭相連自由端長傳動軸,曲軸傳動齒輪法蘭端面扭曲變形,長傳動軸偏甩是策源點。長傳動軸長1574 mm。高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生運動慣性量,A6 運轉(zhuǎn)做功時,上瓦與軸頸間游隙被擠占掉,軸瓦磨損性失效。故障后,測量A6 大端孔其合口B—B 方向直徑為Ф205.15 mm,比Ф205.05 mm 增大0.10 mm,超限中修限度0.04 mm[3]。A6 連桿大端孔運轉(zhuǎn)過程中,合口水平方向受載荷作用過大,大端孔出現(xiàn)較大橢圓度超限。
(2)柴油機快速加載至1000 r/min,傳動軸花鍵套與花鍵軸間有短時沖擊跳動偏甩。曲軸在高速運轉(zhuǎn)中,自由端曲軸傳動齒輪軸頸被牽扯下沉磨損油封蓋最下部。
(3)曲軸硅油減振器系統(tǒng),各部件角速度相等,線速度最大,徑向離心慣性力最大,長軸偏甩動能傳硅油減振器中心區(qū)域角速度向量被放大,與線速度相近連桿頸同頻偏甩,即A6—B6 連桿頸首位響應(yīng),磨損軸瓦。
(1)長軸跳動量大,高速高載時,偏甩幅值與A6—B6 連桿頸同步,偏甩擠占游隙,上瓦與軸頸接觸互磨失效,危害B6,進而引發(fā)軸瓦失效。
(2)故障發(fā)生后,更換上備品柴油機,啟機磨合負載試驗時,同樣全負荷轉(zhuǎn)速1000 r/min 時,柴油機再次復(fù)制故障原版本。曲軸傳動齒輪軸頸磨損油封蓋,A5—B5 連桿瓦軸頸失效。
(3)拆檢長傳動軸測量花鍵與鍵套側(cè)隙為1.7~1.9 mm。查閱連桿瓦異常失效故障案例,DF43220機車因牽引發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸偏甩,第15 缸連桿瓦嚴重失效。DF40486機車NPT5 空氣壓縮機,因電機軸跳動量大偏甩,連桿瓦異常失效。這兩例均為外軸偏甩同振引發(fā)連桿瓦失效。
(4)2020 年10 月中修D(zhuǎn)F7機車460C#第1 位連桿頸嚴重磨損失效,對應(yīng)外部連接傳動軸多部件失效,振動偏甩嚴重。
(5)主要原因推定:柴油機高速重載時,長軸偏甩,引發(fā)軸瓦接觸性磨損失效故障。
(6)更換新柴油機,且修復(fù)調(diào)整長軸優(yōu)化安裝后,柴油機啟機負荷試驗順利通過。
(1)長軸動平衡試驗,靜態(tài)跳動量測量,符合規(guī)定技術(shù)要求。
(2)長傳動軸安裝,執(zhí)行設(shè)計技術(shù)要求。
通過故障分析,認識柴油機系統(tǒng)相關(guān)部件的每個部件非單獨運轉(zhuǎn),每個部件相互關(guān)聯(lián)影響,每個環(huán)節(jié)事關(guān)全部整體。長軸檢修執(zhí)行工藝標準后,車上裝配執(zhí)行各項技術(shù)要求,解決了此類系統(tǒng)故障。