CAT3606 型柴油機(jī)曲軸裂紋故障修復(fù)

劉光周

（秦皇島港股份有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

秦皇島港某拖輪主機(jī)為CAT3606 型柴油機(jī)，單機(jī)功率1570 kW，共2 臺(tái)，在2018 年2 月的一次作業(yè)過程中右主機(jī)由于滑油低壓導(dǎo)致主機(jī)停車。經(jīng)打開道門初步檢查油底殼發(fā)現(xiàn)滑油中含有大量磨損鐵屑，吊缸檢查后發(fā)現(xiàn)第3 和第4 道主軸瓦磨損嚴(yán)重，第3 缸處曲軸的曲柄銷與曲柄臂連接處有明顯的裂紋，如圖1 所示。

圖1 第3 缸曲柄銷與曲柄臂連接處的裂紋

1 柴油機(jī)曲軸損壞原因分析

曲軸是柴油機(jī)最重要的部件之一，它將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過連桿轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將柴油機(jī)各缸所作的功匯集后以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的形式輸出，同時(shí)還要帶動(dòng)柴油機(jī)的其他附屬設(shè)備。曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用。

曲軸的工作條件惡劣，其受力復(fù)雜，在工作時(shí)承受著巨大的負(fù)荷和交變的彎矩及扭矩。其常見的失效形式為彎曲疲勞斷裂和軸頸磨損。所以對(duì)曲軸材料要求具有較強(qiáng)的剛性和良好的疲勞強(qiáng)度以及耐磨能力。其疲勞破壞最常見的形式為金屬疲勞破壞，即彎曲疲勞破壞和扭轉(zhuǎn)疲勞破壞，在工作過程中前者發(fā)生的概率大于后者。彎曲疲勞裂紋通常產(chǎn)生在連桿軸頸（曲柄銷）或主軸頸圓角處，隨后向曲柄臂方向發(fā)展。扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋產(chǎn)生于加工不良的油孔或圓角處，然后向與軸線成45°角方向發(fā)展。金屬疲勞破壞是周期性變化的交變應(yīng)力作用的結(jié)果。曲軸損壞的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，約80%是彎曲疲勞產(chǎn)生的。秦皇島港某拖輪CAT3606 型柴油機(jī)曲軸的裂紋就是由于第3 和第4 道主軸瓦嚴(yán)重磨損所造成的主軸承不同軸而引起的彎曲疲勞損壞。通常，在疲勞破壞之前，由于構(gòu)件沒有明顯的變形，且裂紋的形成又不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，所以疲勞破壞一般表現(xiàn)為突然發(fā)生，很容易造成事故。所幸的是，拖輪在曲軸發(fā)生疲勞裂紋后，因潤滑油大量泄漏造成其油壓過低，觸發(fā)了潤滑油低壓報(bào)警及停車保護(hù)，使本次主柴油機(jī)曲軸裂紋故障沒有造成機(jī)毀人亡的事故。

2 曲軸裂紋故障恢復(fù)方案選擇

由于此次曲軸損壞嚴(yán)重，修復(fù)價(jià)格昂貴，周期長，修復(fù)后的技術(shù)性能和可靠性能都是未知數(shù)。因此，擬定更換曲軸，經(jīng)多方聯(lián)系，有3 種方案可供選擇：

（1）購原裝進(jìn)口新曲軸，價(jià)格昂貴，高達(dá)110 多萬元，供貨周期需1 個(gè)月。

（2）選國產(chǎn)自制曲軸，價(jià)格為70 多萬元，供貨期長達(dá)5 個(gè)月。

（3）選購?fù)瑱C(jī)型舊曲軸，價(jià)格為31.6 萬元，供貨期僅需20 d。考慮到該拖輪已有28 年船齡，主機(jī)已運(yùn)轉(zhuǎn)53 000 多小時(shí)，距離報(bào)廢船齡僅有6 年，認(rèn)為沒有投入過多維修資金的必要性。因此最終決定選購?fù)瑱C(jī)型拆機(jī)件舊曲軸。

3 修理工藝及步驟

同機(jī)型拆機(jī)件在維修過程中存在很大的困難。為了能使主機(jī)在維修后更好地投入使用，要求對(duì)柴油機(jī)各個(gè)部件（特別是曲軸和主軸承）的檢測(cè)、測(cè)量和維修務(wù)必精益求精，確保維修可靠徹底，具體的修理工藝及步驟如下：

（1）損壞曲軸的出艙。曲軸的尺寸和重量都是比較大的，出艙是一個(gè)復(fù)雜的工作過程，需充分地考慮到船舶的穩(wěn)性以及人員安全。務(wù)必要提前考慮以下因素：①物質(zhì)因素：主機(jī)解體前清理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立警戒線；主機(jī)解體過程中注意每個(gè)部件的合理拆卸，并具體細(xì)化到每個(gè)部位，保證船舶的穩(wěn)性；②人員因素：解體前人員需經(jīng)過專業(yè)的技術(shù)培訓(xùn)，防止出現(xiàn)技術(shù)方面的錯(cuò)誤導(dǎo)致機(jī)體損壞；做好安全培訓(xùn)，確保作業(yè)當(dāng)中人員和船舶的安全；③天氣因素：風(fēng)浪會(huì)造成船舶的搖擺，天氣原因可能造成機(jī)件裝配不當(dāng)或人員受傷，應(yīng)將主機(jī)機(jī)體、缸頭、活塞、連桿等重要部件擺好放穩(wěn)固定牢靠。

（2）對(duì)主軸承進(jìn)行檢測(cè)與維修。用激光準(zhǔn)直儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主軸承孔中心線直線度和主軸瓦孔內(nèi)徑尺寸，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示。主機(jī)型號(hào)CAT3606，主軸承孔直徑265 mm。

表1 主軸承孔及同軸度測(cè)量數(shù)據(jù) mm

將測(cè)量結(jié)果與說明書對(duì)比得知：第3 和第4 道主軸瓦磨損嚴(yán)重，如圖2 所示，需要立即進(jìn)行修復(fù)處理。最終選擇了工藝簡單、操作靈活、性能穩(wěn)定的電刷鍍對(duì)主軸瓦進(jìn)行修復(fù)處理。電刷鍍?nèi)恐鬏S瓦內(nèi)表面直至有足夠的加工余量，按照主機(jī)說明書的標(biāo)準(zhǔn)順序和標(biāo)準(zhǔn)扭矩將主軸瓦蓋螺栓及側(cè)位螺栓擰緊，通過夾具將鏜削設(shè)備安裝至機(jī)架自由端，然后安裝鏜桿，并以1#和7#主軸瓦孔為基準(zhǔn)找正鏜桿，逐一鏜削主軸瓦孔至目標(biāo)尺寸，測(cè)量尺寸達(dá)到目標(biāo)值后，拆卸鏜削設(shè)備，修順主軸瓦邊緣毛刺。然后利用滲透探傷法檢查鍍側(cè)表面質(zhì)量，確保合格，如發(fā)現(xiàn)鼓泡、起皮、剝落現(xiàn)象則視為不合格，需重新做。用激光準(zhǔn)直儀檢測(cè)主軸瓦孔中心線直線度和主軸瓦孔內(nèi)徑，確保在說明書允許的尺寸范圍內(nèi)。

圖2 第3 道主軸瓦磨損情況

（3）連桿的探傷檢測(cè)及連桿大端孔徑的修復(fù)。連桿是由連桿小端、桿身、連桿大端組成，小端與活塞相連，大端與曲軸相連，作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度、剛度、韌性和抗疲勞性能，因此要求連桿體不得有裂紋和損傷。可用磁粉探傷檢驗(yàn)連桿本體是否有缺陷，并測(cè)量檢測(cè)連桿孔徑、平行度和扭曲度，將測(cè)量結(jié)果與說明書對(duì)比確認(rèn)是否符合工作要求，修復(fù)不符合要求的連桿大端軸瓦孔至標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

（4）曲軸的檢測(cè)。將到貨的舊曲軸上檢測(cè)平臺(tái)，查看有無拉傷、燒蝕、嚴(yán)重磨損、裂紋或其他缺陷；用千分尺檢查主軸頸及曲柄銷直徑、圓度、圓柱度；檢測(cè)主軸頸中心線直線度（包括曲軸法蘭跳動(dòng)量）；檢測(cè)曲柄銷相對(duì)于主軸頸中心線平行度；檢測(cè)曲柄銷及主軸頸表面硬度；檢測(cè)曲柄銷及主軸頸表面的粗糙度，全部應(yīng)符合說明書及規(guī)范的要求。將曲軸置于整體式曲軸磁粉探傷機(jī)，對(duì)曲軸全部表面進(jìn)行磁粉探傷檢查，檢驗(yàn)結(jié)果為合格方可使用。

（5）曲軸及各類附件的回裝。將檢測(cè)合格的曲軸放置在專用的固定架上，回裝前首先確認(rèn)好方向，并做好曲軸和機(jī)體的保護(hù)措施，按照曲軸出艙相反的程序?qū)⒏鼡Q的曲軸回裝，其他附件按照主機(jī)說明書、規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行回裝，應(yīng)在海況較好的天氣下進(jìn)行回裝，避免在船舶搖晃的狀態(tài)下作業(yè)。

（6）軸系對(duì)中。主機(jī)正置后，安裝飛輪并測(cè)量傳動(dòng)軸軸線，所得數(shù)值與規(guī)定值偏差過大。經(jīng)查勘測(cè)量發(fā)現(xiàn)原因?yàn)橹鳈C(jī)機(jī)座受力不均導(dǎo)致墊片變形。為了縮短裝配調(diào)整工期及保證安裝質(zhì)量，選用環(huán)氧樹脂墊片取代傳統(tǒng)的金屬墊片，這種新型材料的墊片配合性極好，對(duì)安裝過程的寬容性高。船用機(jī)械機(jī)座墊片依據(jù)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/T 3514—1992《船用環(huán)氧樹脂機(jī)座墊片技術(shù)條件》中總壓應(yīng)力按公式P=（W+T）/A 計(jì)算,其中W為機(jī)械重量（N），T 為螺栓總緊固力（N），A 為環(huán)氧樹脂墊片總有效面積（mm2）。船用主柴油機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，機(jī)座要承受工作轉(zhuǎn)矩或翻轉(zhuǎn)力矩，機(jī)座的一側(cè)所受壓力會(huì)加大，機(jī)座連接部件的一側(cè)受力也會(huì)加大，在機(jī)座連接部件受力后，其形變應(yīng)在線性彈性范圍內(nèi)。對(duì)于機(jī)座連接的設(shè)計(jì)，要確保機(jī)座墊片壓力增加側(cè)墊片受到的壓應(yīng)力不超過許用值，即該側(cè)緊固螺栓須有一定的剩余拉應(yīng)力，而機(jī)座墊片壓力減小側(cè)緊固螺栓的拉應(yīng)力應(yīng)不超過許用值，且墊片應(yīng)保持一定的壓應(yīng)力。同時(shí)，還要考慮環(huán)氧樹脂在干涸過程中約有1/1000 的收縮量。因此，在軸系對(duì)中時(shí)，應(yīng)有意識(shí)地將主機(jī)頂高一點(diǎn)，具體頂高數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)澆注墊片的厚度來確定。

（7）數(shù)據(jù)測(cè)量。按照規(guī)范檢測(cè)主軸頸與軸瓦的配合間隙、推力盤間隙、曲軸臂距差等數(shù)據(jù)，應(yīng)符合主機(jī)說明書及規(guī)范要求,未安裝連桿活塞運(yùn)動(dòng)裝置時(shí)測(cè)量的臂距差數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 曲軸臂距差測(cè)量數(shù)據(jù) mm

（8）試車及磨合。主機(jī)所有部件回裝完成之后，進(jìn)行控制電路的檢查與確認(rèn)，并加水、加油，預(yù)潤滑各個(gè)機(jī)件，打開道門觀察曲軸及缸套活塞的潤滑油量，確保潤滑油油路暢通，避免試車損壞機(jī)件。所有準(zhǔn)備工作就緒后，啟動(dòng)主機(jī)，跟蹤觀察各個(gè)參數(shù)并測(cè)量道門及機(jī)體溫度，確保沒有任何異常。磨合期要多次檢查潤滑油粗細(xì)濾器，并做好潤滑油化驗(yàn)工作。

4 結(jié)束語

船舶設(shè)備的日常維護(hù)管理工作是非常重要的，必須對(duì)各機(jī)電設(shè)備的保護(hù)裝置進(jìn)行定期檢測(cè)，及時(shí)維護(hù)和校正異常的報(bào)警保護(hù)點(diǎn)，確保全部機(jī)電設(shè)備保護(hù)裝置的性能完好。船用主機(jī)曲軸更換工程在船舶維修中是較少見的大工程，任何設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工過程中的失誤都會(huì)造成質(zhì)量問題和安全事故。曲軸更換的整個(gè)施工過程應(yīng)在風(fēng)浪小、碼頭條件好的情況下進(jìn)行，且要通過船舶壓載調(diào)整首尾吃水以實(shí)現(xiàn)理想浮態(tài)。曲軸的進(jìn)艙與出艙是此工程的難點(diǎn)，拖輪機(jī)艙及兩側(cè)舷門非常狹窄，在施工前務(wù)必要組織好安全、質(zhì)量、工藝交底工作，確保整個(gè)施工過程順利安全進(jìn)行。