某型柴油機拉缸故障原因分析

蘇軍鋒，馬 駿，程利利，于永強

(河南柴油機重工有限責任公司，河南 洛陽 471039)

1 引言

某型發(fā)電用柴油機在工作過程中自動停機，由于故障發(fā)生時是凌晨，現(xiàn)場并無值班人員，經(jīng)反饋后工程師到現(xiàn)場勘驗，發(fā)現(xiàn)該機機體第四缸觀察孔處打破，平衡塊和連桿小端甩出機體?，F(xiàn)場經(jīng)初步拆檢發(fā)現(xiàn)該機第四缸汽缸蓋搖臂座緊固螺釘松脫，第四缸氣缸套碎裂，第四缸活塞從活塞銷孔處斷裂，活塞圓周表面有嚴重拉痕。第四缸連桿從靠近小端處斷裂，連桿桿身處彎曲變形，連桿大端緊固良好。曲軸第四檔平衡塊螺釘在曲臂安裝面處斷裂，平衡塊脫落。經(jīng)對該機故障可能產(chǎn)生的原因進行排查分析，導致柴油機損壞的原因為拉缸引起，為進一步查明拉缸故障原因，我們開展了如下分析。

2 拉缸故障原因排查

2.1 燃燒室進入異物導致拉缸的可能

故障發(fā)生后組織分析人員對故障機進行大拆，對受損的第四缸進行重點檢查，該缸氣門未見損傷，活塞從活塞銷處斷裂但活塞頭部未損壞，氣缸蓋底部未見異常，燃燒室內(nèi)較為干凈，未見異物，基本可以排除燃燒室進入異物引起拉缸的可能。

2.2 活塞冷卻噴嘴堵塞導致拉缸的可能

對受損的第四缸活塞冷卻噴嘴進行拆檢，其表面有撞擊痕跡，但內(nèi)部暢通未見堵塞，可以排除活塞冷卻噴嘴堵塞造成活塞冷卻不良引起拉缸的可能。

2.3 潤滑系統(tǒng)失效導致拉缸的可能

2.3.1 通過查閱監(jiān)控系統(tǒng)，故障發(fā)生前柴油機機旁控制箱檢測到的滑油壓力在使用范圍內(nèi)，且柴油機各項運行參數(shù)均正常。

2.3.2 通過對機器運動部件的拆檢，各檔主軸瓦、連桿瓦工作痕跡正常，除故障缸外，其余五個缸活塞和缸套工作痕跡均未見異常。

2.3.3 故障發(fā)生后拆檢時，對柴油機油底殼內(nèi)的滑油進行了粘度和閃點化驗，油樣檢測結(jié)果均合格。

綜合以上排查和化驗分析，可以排除潤滑系統(tǒng)失效引起拉缸的可能。

2.4 冷卻系統(tǒng)失效導致拉缸的可能

2.4.1 通過查閱監(jiān)控系統(tǒng)，故障發(fā)生前柴油機機旁控制箱檢測到的淡水溫度在使用范圍內(nèi)，柴油機運行參數(shù)正常。

2.4.2 通過對故障機器的進一步拆檢，除受損的第四缸外，其余五個缸的活塞和缸套工作痕跡均無異常；綜合以上排查分析，可以排除因冷卻系統(tǒng)失效引起拉缸的可能。

2.5 燃油系統(tǒng)失效導致拉缸的可能

故障機拆檢完成后，分析人員立即對該機所使用的噴油器和高壓油泵進行了霧化檢測和均勻度檢測，未發(fā)現(xiàn)噴油器霧化不良和高壓油泵單缸供油量偏大的現(xiàn)象，可以排除因燃油系統(tǒng)失效，造成缸套滑油稀釋或異常燃燒引起拉缸的可能。

2.6 超載、超速導致拉缸的可能

對故障機從交驗至故障發(fā)生前的運行記錄進行詳細檢查，柴油機機旁控制箱檢測數(shù)據(jù)顯示各運行工況正常，油溫、水溫、排溫等各項參數(shù)均處于正常范圍，未發(fā)生超載、超速等異常情況，可以排除超載和超速引起拉缸的可能。

2.7 配氣系統(tǒng)失效導致拉缸的可能

故障機拆檢過程中發(fā)現(xiàn)，受損的第四缸氣缸蓋上搖臂座緊固螺釘孔開裂，緊固螺釘明顯松脫。該型機搖臂座是通過緊固螺釘固定在氣缸蓋上，進、排氣門搖臂通過搖臂軸安裝在搖臂座上，搖臂軸充當了進、排氣門搖臂轉(zhuǎn)動的支點。拆檢過程中發(fā)現(xiàn)第四缸氣缸蓋上搖臂座緊固螺釘松脫，分析可能會使推桿的作用力無法通過搖臂傳遞給氣門，造成進、排氣門一直保持關(guān)閉狀態(tài)。新鮮空氣無法進入燃燒室，使燃燒室內(nèi)的霧狀燃油無法形成可燃混合氣體，霧狀燃油噴到缸套內(nèi)壁四周，隨著噴射量的增加會逐漸稀釋缸套內(nèi)壁上的滑油，影響缸套與活塞間的潤滑效果，往復運動時產(chǎn)生高溫，造成拉缸。

該型柴油機為公司成熟產(chǎn)品，質(zhì)量狀況穩(wěn)定，在此之前從未反饋過搖臂座緊固螺釘松脫的問題，分析人員也不敢輕易下此結(jié)論。為進一步驗證拉缸原因，分析人員再次對受損的第四缸零部件進行檢查。通過仔細對比，發(fā)現(xiàn)該缸被拉斷的活塞頂面此前被認為是氣門撞擊痕跡與氣門邊緣并不重合，而是與氣門閥座底孔邊緣撞擊的痕跡完全吻合，受損活塞頂部并未見到氣門撞擊的痕跡。通過此現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，進一步說明活塞在被拉斷時，柴油機進、排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，而造成氣門完全關(guān)閉的原因應該就是搖臂座緊固螺釘松脫。

問題原因進一步得到確認后，分析人員請相關(guān)技術(shù)人員對柴油機配氣系統(tǒng)進行了強度計算。根據(jù)計算結(jié)果，該型柴油機配氣傳動機構(gòu)中(含搖臂座緊固螺釘及氣缸蓋螺釘孔)，氣門推桿相比較其它零部件強度是最低的，也就是傳動機構(gòu)在受到異常外力時，推桿應首先受損發(fā)生變形，而故障機拆檢時，凸輪軸在第四檔軸頸處受到撞擊，但第四缸進、排氣推桿卻均未損壞發(fā)生變形，再次證明搖臂座緊固螺釘松脫是導致故障發(fā)生的根本原因，而搖臂座緊固螺釘松脫的原因就是搖臂座緊固螺釘孔事先開裂引起的。

2.8 拉缸故障原因排查結(jié)果分析

分析人員綜合故障機拆檢、故障前運行參數(shù)查閱、油品檢驗和故障件對比以及開展的相關(guān)受力計算，可以確定第四缸氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔處開裂是故障的起始位置，也是本次柴油機拉缸故障的根本起因。

3 氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔開裂原因排查

3.1 故障氣缸蓋受損情況

故障后對整機拆檢時，打開第四缸氣缸蓋罩，發(fā)現(xiàn)氣缸蓋搖臂座緊固螺釘松脫，拿下?lián)u臂座，發(fā)現(xiàn)氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔表面處有三道裂紋，并有一處脫落掉塊。氣缸蓋底面未見損傷等異常現(xiàn)象。進氣道、排氣道內(nèi)干凈，未見油、水痕跡(見圖1、圖2)。對該缸氣缸蓋進行密封性試驗，并無滲漏現(xiàn)象。

3.2 故障氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔檢查

該氣缸蓋為鑄造零件，鑄造完成后加工螺紋孔。分析人員對斷裂的第四缸氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔(M16×1.5-6H)進行檢查，發(fā)現(xiàn)有螺紋螺牙斷裂脫落的現(xiàn)象。螺釘孔理論螺紋深度32mm，螺釘擰緊后理論螺紋旋入深度29mm。螺釘孔螺紋損壞范圍是軸向約29mm(從旋入向)，徑向約連續(xù)三分之二圓周(見圖3、圖4)，螺釘孔脫落掉塊區(qū)域未見螺紋損壞，螺牙完好，螺紋加工滿足技術(shù)要求。測量第四缸氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔最小壁厚處的厚度為4.4mm，滿足4.5±1.4mm的技術(shù)要求，螺紋孔處壁厚滿足技術(shù)要求。

3.3 故障氣缸蓋材質(zhì)檢查

該氣缸蓋材料為低合金灰鑄鐵(210-280)，對其化學成份進行復測，均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，汽缸蓋材質(zhì)符合要求，測量結(jié)果見表1。

表1 化學成份檢測結(jié)果

3.4 故障氣缸蓋硬度檢查

對氣缸蓋螺牙斷裂部位進行取樣，檢測其硬度為189HB，在技術(shù)要求的180～230HB范圍內(nèi)，汽缸蓋硬度符合要求。

3.5 故障氣缸蓋金相檢驗

采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡觀察，螺牙斷裂部位為珠光體數(shù)量98%(技術(shù)要求≥90%)，石墨分布形狀A型(技術(shù)要求A～B)，石墨長度4級(技術(shù)要求4～6級)，金相組織斷口處與其它區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯差別，金相組織符合要求，見圖5。

3.6 故障氣缸蓋掃描電鏡檢驗

對氣缸蓋螺牙斷裂部位取樣，置于掃描電鏡下觀察，螺紋掉落處均呈外力損傷斷裂形貌，未發(fā)現(xiàn)疏松、夾渣等缺陷，見圖6、圖7。

3.7 故障氣缸蓋生產(chǎn)過程排查

氣缸蓋生產(chǎn)單位對該氣缸蓋生產(chǎn)過程進行了排查，過程記錄和檢驗記錄齊全，加工過程未發(fā)現(xiàn)有違反工藝紀律的情況。對庫存氣缸蓋進行探傷復查，已入庫的氣缸蓋在壓緊搖臂座螺釘孔及周圍未發(fā)現(xiàn)有加工或鑄造缺陷的情況，但故障后通過探傷復檢并不能排除加工過程中組合刀具異常導致螺紋孔產(chǎn)生裂紋源的可能性。

為進一步排查問題原因，分析人員組織對氣缸蓋鑄造清理和機加吊運過程中是否使用臂座緊固螺釘孔進行了排查，發(fā)現(xiàn)汽缸蓋在鑄造清理和機加吊運過程中并不使用該螺釘孔，但在柴油機裝配時，裝配氣缸蓋的吊運過程需使用此處螺釘孔。使用時將工藝吊耳的螺紋部分完全旋入搖臂座緊固螺釘孔內(nèi)(旋入長度約20mm),再用天車吊運吊耳完成氣缸蓋裝配，正常操作能夠保證搖臂座緊固螺釘孔的螺紋不受損傷，但無法排除某個環(huán)節(jié)因操作不當，導致磕碰產(chǎn)生裂紋的可能性。

3.8 氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔處開裂原因排查分析

分析人員通過對搖臂座緊固螺釘孔開裂部位的材料成分、硬度和金相檢測，零件材料滿足技術(shù)要求，電鏡掃描下也未發(fā)現(xiàn)組織疏松、夾渣等鑄造缺陷，但通過對故障后零件加工和吊運過程的排查，也不能排除鑄造的原始缺陷導致該部位產(chǎn)生裂紋，在后續(xù)加工過程中原始缺陷被加工掉而裂紋依然存在的可能；帶有裂紋的氣缸蓋在生產(chǎn)加工、吊裝搬運和裝配使用等過程中裂紋進一步擴展，最終開裂。

4 結(jié)論

由于該機第四缸氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔存在缺陷發(fā)生開裂，搖臂座緊固螺釘松脫，造成該缸配氣系統(tǒng)失效，燃油稀釋缸套油膜，引起拉缸故障發(fā)生。隨著拉缸程度的嚴重，活塞從活塞銷孔處拉斷，連桿小端運動失去約束，將缸套擊碎，同時連桿小頭還會對活塞底部產(chǎn)生撞擊，活塞頭部上行撞擊汽缸蓋。由于氣門先關(guān)閉，活塞頂部僅留下氣門閥座外緣撞擊痕跡。缸套碎裂后，連桿小頭脫離缸孔，會撞擊活塞冷卻噴嘴、機體觀察孔和凸輪軸，隨后產(chǎn)生較大彎曲變形又對平衡塊進行撞擊，平衡塊緊固螺釘在較大外力作用下一次性剪切斷裂，平衡塊在離心力的慣性作用下甩出，甩出過程中對連桿小頭進行撞擊使連桿小頭斷裂。

氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔開裂的原因，可能是鑄造過程、機加工過程、轉(zhuǎn)運過程某個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的。后續(xù)生產(chǎn)過程中嚴格控制零件加工及轉(zhuǎn)運過程控制，此問題未再發(fā)生。