某型柴油機(jī)拉缸故障原因分析

蘇軍鋒，馬 駿，程利利，于永強(qiáng)

(河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 引言

某型發(fā)電用柴油機(jī)在工作過程中自動(dòng)停機(jī)，由于故障發(fā)生時(shí)是凌晨，現(xiàn)場(chǎng)并無值班人員，經(jīng)反饋后工程師到現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該機(jī)機(jī)體第四缸觀察孔處打破，平衡塊和連桿小端甩出機(jī)體。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)初步拆檢發(fā)現(xiàn)該機(jī)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(yán)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(duì)該機(jī)故障可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行排查分析，導(dǎo)致柴油機(jī)損壞的原因?yàn)槔滓?，為進(jìn)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(jìn)入異物導(dǎo)致拉缸的可能

故障發(fā)生后組織分析人員對(duì)故障機(jī)進(jìn)行大拆，對(duì)受損的第四缸進(jìn)行重點(diǎn)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(jìn)入異物引起拉缸的可能。

2.2 活塞冷卻噴嘴堵塞導(dǎo)致拉缸的可能

對(duì)受損的第四缸活塞冷卻噴嘴進(jìn)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(rùn)滑系統(tǒng)失效導(dǎo)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(jī)機(jī)旁控制箱檢測(cè)到的滑油壓力在使用范圍內(nèi)，且柴油機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均正常。

2.3.2 通過對(duì)機(jī)器運(yùn)動(dòng)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(gè)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(shí)，對(duì)柴油機(jī)油底殼內(nèi)的滑油進(jìn)行了粘度和閃點(diǎn)化驗(yàn)，油樣檢測(cè)結(jié)果均合格。

綜合以上排查和化驗(yàn)分析，可以排除潤(rùn)滑系統(tǒng)失效引起拉缸的可能。

2.4 冷卻系統(tǒng)失效導(dǎo)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(jī)機(jī)旁控制箱檢測(cè)到的淡水溫度在使用范圍內(nèi)，柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)正常。

2.4.2 通過對(duì)故障機(jī)器的進(jìn)一步拆檢，除受損的第四缸外，其余五個(gè)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(dǎo)致拉缸的可能

故障機(jī)拆檢完成后，分析人員立即對(duì)該機(jī)所使用的噴油器和高壓油泵進(jìn)行了霧化檢測(cè)和均勻度檢測(cè)，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(dǎo)致拉缸的可能

對(duì)故障機(jī)從交驗(yàn)至故障發(fā)生前的運(yùn)行記錄進(jìn)行詳細(xì)檢查，柴油機(jī)機(jī)旁控制箱檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示各運(yùn)行工況正常，油溫、水溫、排溫等各項(xiàng)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(dǎo)致拉缸的可能

故障機(jī)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(jī)搖臂座是通過緊固螺釘固定在氣缸蓋上，進(jìn)、排氣門搖臂通過搖臂軸安裝在搖臂座上，搖臂軸充當(dāng)了進(jìn)、排氣門搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)的支點(diǎn)。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(huì)使推桿的作用力無法通過搖臂傳遞給氣門，造成進(jìn)、排氣門一直保持關(guān)閉狀態(tài)。新鮮空氣無法進(jìn)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(huì)逐漸稀釋缸套內(nèi)壁上的滑油，影響缸套與活塞間的潤(rùn)滑效果，往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高溫，造成拉缸。

該型柴油機(jī)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(jìn)一步驗(yàn)證拉缸原因，分析人員再次對(duì)受損的第四缸零部件進(jìn)行檢查。通過仔細(xì)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該缸被拉斷的活塞頂面此前被認(rèn)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(jìn)一步說明活塞在被拉斷時(shí)，柴油機(jī)進(jìn)、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(yīng)該就是搖臂座緊固螺釘松脫。

問題原因進(jìn)一步得到確認(rèn)后，分析人員請(qǐng)相關(guān)技術(shù)人員對(duì)柴油機(jī)配氣系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該型柴油機(jī)配氣傳動(dòng)機(jī)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(qiáng)度是最低的，也就是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在受到異常外力時(shí)，推桿應(yīng)首先受損發(fā)生變形，而故障機(jī)拆檢時(shí)，凸輪軸在第四檔軸頸處受到撞擊，但第四缸進(jìn)、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(dǎo)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(jī)拆檢、故障前運(yùn)行參數(shù)查閱、油品檢驗(yàn)和故障件對(duì)比以及開展的相關(guān)受力計(jì)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(jī)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(duì)整機(jī)拆檢時(shí)，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(jìn)氣道、排氣道內(nèi)干凈，未見油、水痕跡(見圖1、圖2)。對(duì)該缸氣缸蓋進(jìn)行密封性試驗(yàn)，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(duì)斷裂的第四缸氣缸蓋搖臂座緊固螺釘孔(M16×1.5-6H)進(jìn)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(cè)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(duì)其化學(xué)成份進(jìn)行復(fù)測(cè)，均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，汽缸蓋材質(zhì)符合要求，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成份檢測(cè)結(jié)果

3.4 故障氣缸蓋硬度檢查

對(duì)氣缸蓋螺牙斷裂部位進(jìn)行取樣，檢測(cè)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(yàn)

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(yù)型(技術(shù)要求A～B)，石墨長(zhǎng)度4級(jí)(技術(shù)要求4～6級(jí))，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(yàn)

對(duì)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(duì)該氣缸蓋生產(chǎn)過程進(jìn)行了排查，過程記錄和檢驗(yàn)記錄齊全，加工過程未發(fā)現(xiàn)有違反工藝紀(jì)律的情況。對(duì)庫(kù)存氣缸蓋進(jìn)行探傷復(fù)查，已入庫(kù)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(fù)檢并不能排除加工過程中組合刀具異常導(dǎo)致螺紋孔產(chǎn)生裂紋源的可能性。

為進(jìn)一步排查問題原因，分析人員組織對(duì)氣缸蓋鑄造清理和機(jī)加吊運(yùn)過程中是否使用臂座緊固螺釘孔進(jìn)行了排查，發(fā)現(xiàn)汽缸蓋在鑄造清理和機(jī)加吊運(yùn)過程中并不使用該螺釘孔，但在柴油機(jī)裝配時(shí)，裝配氣缸蓋的吊運(yùn)過程需使用此處螺釘孔。使用時(shí)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(zhǎng)度約20mm),再用天車吊運(yùn)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(gè)環(huán)節(jié)因操作不當(dāng)，導(dǎo)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(duì)搖臂座緊固螺釘孔開裂部位的材料成分、硬度和金相檢測(cè)，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(duì)故障后零件加工和吊運(yùn)過程的排查，也不能排除鑄造的原始缺陷導(dǎo)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(yùn)和裝配使用等過程中裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終開裂。

4 結(jié)論

由于該機(jī)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(yán)重，活塞從活塞銷孔處拉斷，連桿小端運(yùn)動(dòng)失去約束，將缸套擊碎，同時(shí)連桿小頭還會(huì)對(duì)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?jī)H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(huì)撞擊活塞冷卻噴嘴、機(jī)體觀察孔和凸輪軸，隨后產(chǎn)生較大彎曲變形又對(duì)平衡塊進(jìn)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(duì)連桿小頭進(jìn)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(jī)加工過程、轉(zhuǎn)運(yùn)過程某個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的。后續(xù)生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制零件加工及轉(zhuǎn)運(yùn)過程控制，此問題未再發(fā)生。