1連桿大端軸瓦抱軸事故
最近幾年,某公司多艘船齡在10年以上的不同品牌的500r/min定速四沖程柴油主機，都發生過類似的連桿大端軸承軸瓦抱軸事故。
這些事故均發生在:
·船齡較大(10年以上)；
·變距槳定速主機加速到額定轉速后不久。
事故損失巨大。例如某輪,變距槳定速主機啟動,達到額定轉速后不久,曲拐箱油霧濃度報警裝置報警,停車檢查,見某缸連桿大端軸承軸瓦抱軸,只能卸貨進廠修理。此外,事故還帶來包括降低主機輸出功率(研磨軸頸導致直徑減小)、重復裝卸貨、損害班輪信譽等間接損失。
各主機生產廠家的有關專家診斷和分析,提出了許多不同建議。
主機生產廠家人員一般認為主要原因是軸瓦使用時間超過5萬小時而磨損和變形,使得軸瓦溫度不均勻且散熱性能差,導致個別點凸起引起粘著摩擦,不得不更新主機全部連桿大端軸瓦和主軸瓦。
這里,分析四沖程柴油機連桿大端軸承(以下簡稱軸承)軸瓦抱軸事故的原因和機理以及防范措施,水平有限,敬請指教。
2原因思考
2.1軸承變形
圖1是活塞連桿機構作用力分析示意圖。
曲柄銷受力F,可分解為推動曲軸旋轉運動的切向分力B以及與切相分離垂直的法向分力C。
法向分力C的大小和方向隨曲柄轉動周期性變化,而且軸承與曲柄銷之間存在間隙,所以曲柄銷會與軸承的剖分處相互撞擊。長期撞擊，磨損軸瓦和軸承殼,使軸承殼內孔變為橢圓形,即圖2所示的A變大。
圖2所示的A變大,是抱軸事故的根本原因。
2.2軸瓦
軸承內孔變形為橢圓形,導致軸瓦松動:
·橢圓形軸承內孔曲率不均勻,軸瓦無法緊貼軸承內孔,造成曲柄銷、軸瓦和軸承三者之間敲擊磨損。
·橢圓形軸承內孔徑向長度大于軸瓦背部徑向長度,致使軸瓦背部不能緊貼軸承內孔,嚴重時甚至軸瓦與軸承有相對轉動，造成軸瓦和軸承的移動磨損。
敲擊磨損和移動磨損，都導致曲柄銷、軸瓦與軸承之間的間隙進一步加大，磨損進一步加劇。
2.3潤滑
目前柴油機都采用強力潤滑方式,即依靠滑油壓力和軸的轉動形成連續油膜,隔離摩擦面,承載壓力,減少磨損。強力潤滑需要足夠的滑油和一定的轉速。
軸承內孔變為橢圓形,軸承剖分處(圖2中的A)間隙增大,滑油漏泄,破壞油膜,摩擦加劇,磨損增加,過熱燒融,是連桿大端軸承軸瓦抱軸的關鍵。
2.4事故機理
2.4.1前提
曲柄銷與軸承剖分處的撞擊,使軸承內孔變為橢圓形(圖2中的A變大),需要相當長時間。所以,船齡大、設備老化的船舶易發生這類事故。
但是,能完成事故前的航次及其進港機動航行,證明軸承內孔變形的漏油還沒有嚴重到不能建立潤滑油膜的程度,滑油壓力得以保持就是明證。
軸承內孔變形的漏油還沒有嚴重到不能建立潤滑油膜的程度,是本文討論的軸瓦抱軸事故的前提。
2.4.2定速主機啟動到額定轉速的幾個階段
為什么主機可以保證事故前的航次及其進港機動航行,而啟動加速到額定轉速后不久發生事故呢？有必要分析啟動和加速過程軸承的潤滑情況。
定速主機,啟動后不長時間即以額定轉速運轉。
強力潤滑的機理,是依靠滑油壓力和軸的轉動形成連續油膜。
(1)暖機階段
軸承受力(F)為零,轉速為零。
暖機時已啟動主機滑油泵,由于軸承內孔變形的漏油還不是很嚴重滑油壓力得以建立。
但是,軸承和曲柄銷處于靜止狀態:
·沒有轉動不可能建立油膜；而且
·滑油不會進入軸承緊貼曲柄銷的部位。
說明書要求暖機時主機盤車,就是希望滑油進入軸承緊貼曲柄銷的部位。
(2)啟動階段
因為需克服靜摩擦力軸承受力大于低速運轉和額定轉速運轉,且負荷增加得快。
軸承與曲柄銷處于邊界潤滑狀態即有潤滑油的接觸摩擦,摩擦劇烈,磨損和發熱嚴重。但持續時間短,且設計時已考慮這種情況,即使軸瓦輕微損傷,一般也不會成為故障。熱量和摩擦產生的微粒,有待于隨后低速運轉時被滑油帶走。
軸承與曲柄銷接觸面的油膜尚未建立,與軸承內孔變形關系不大。
為防嚴重軸瓦損傷,應謹慎操作:
·啟動油門不可過大即防止軸承受力過大；
·油氣并進時間不可過長。
(3)低速運轉階段
此時軸承受力最小。
油壓和轉速使油膜得以建立,形成強力潤滑。為防止損傷軸瓦說明書通常都規定低速運轉階段的時間應足夠長,因為:
·軸承受力小,潤滑效果較好,使軸承油膜有一段調整時間；
·需要滑油帶走啟動階段軸承產生的熱量和磨損微粒。
但對于軸承殼變形滑油漏泄的柴油機,轉速低則可能不形成油膜導致有潤滑油的接觸摩擦,也可能油膜時斷(油膜潤滑)時續(有潤滑油的接觸摩擦),磨損嚴重,不僅不能帶走啟動階段軸承產生的熱量和磨損微粒,而且還會增多熱量和磨損微粒,最好略提高轉速,縮短時間。
(4)加速階段
隨主機轉速增加,油膜承壓能力也逐漸提高,軸承受力逐漸加大。
為防止油膜承壓能力的提高眼不上軸承受力的加大,損傷軸瓦,說明書通常都規定啟動后加速過程時間應足夠長。因為主機加速過快,軸承受力突然大幅增加,會損傷軸瓦。
(5)額定轉速(空載即螺距為零)階段
主機達到額定轉速,軸承受力不高(空載),軸頸表面線速度(相對軸承)最高,潤滑油膜穩定。
所以,額定轉速空載運轉最不應該發生軸瓦過度磨損抱軸事故。實際發生的軸瓦抱軸事故,只能是前幾個階段的軸瓦損傷,到了額定轉速階段,軸頸表面線速度高,持續時間(相對前幾個階段)長,磨損加劇,軸瓦損傷進一步擴大所造成的。
2.5結論
綜觀從暖機、啟動到額定轉速空載運轉的五個階段,對于連桿大端軸承內孔變形(漏油還沒有嚴重到不能建立潤滑油膜的程度)的主機,啟動加速到額定轉速后不久就發生軸瓦抱軸事故,可能的原因有:
·暖機時,主機未充分盤車；
·啟動時,油門過大,和/或油氣并進時間過長；
·低速運轉階段,轉速過低和/或時間過長；
·加速過快。
以上四項(尤其是后三項),沒做到某一項都可能損傷軸瓦；沒做到數項,軸瓦損傷加劇且得不到自行修復,就可能在啟動加速到額定轉速后不久發生軸瓦抱軸事故。
3防范建議
3.1規范操作
鑒于上述分析,主機操縱,在說明書規定范圍內:
·暖機時,尤其是啟動前,充分盤車；
·啟動時,油門宜小,油氣并進時間宜短；
·低速運轉階段,轉速應略高,時間不宜過長；
·主機加速,不宜過快。
·運行中,嚴密監視主機滑油壓力,及時發現滑油壓力降低并查明原因。
滑油因軸承內孔變形而漏泄的事故先兆是油壓降低,但這只是理論上。漏油還沒有嚴重到不能建立潤滑油膜的程度,亦即軸承內孔變形還沒有大到油壓明顯降低的程度,很難發現和確認。
3.2預防檢修,及時更換超標軸承和螺栓
(1)軸承
定期(不大于說明書規定時間間隔)檢查軸承殼外觀,測量孔徑,分析測量結果,及時發現軸承殼損傷,包括裂紋、內孔表面較大面積凹陷和任何凸起、兩半軸承殼結合面不平整和摩擦痕跡、變形超標等。
測量方法:
①拆出連桿,卸除軸瓦,清潔軸承殼；
②裝復軸承殼,按規定預緊力上緊螺栓；
③在軸承孔軸線方向均分的至少三個面上,分別沿連桿中心線方向、與連桿中心線左右成60°和接近90°等五個方向,測量至少共15個數據。
一旦發現軸承殼損傷或變形超標,盡早更換。
(2)軸瓦,及其與軸承殼、曲柄銷的配合
定期(不大于說明書規定時間間隔)測量和分析軸承內徑以及軸瓦與軸承殼過盈壓隙，及時發現軸瓦變形超標。
測量方法:
①拆出連桿,解體軸承,清潔；
②裝復軸瓦和軸承,按規定預緊力上緊螺栓；
③在軸承孔軸線方向均分的至少三個面上,沿連桿中心線方向、與連桿中心線左右分別成60°和接近90°等五個方向,測量至少共15個數據；
④松開螺栓螺帽,測量軸瓦過盈壓隙,即軸瓦外圓面與軸承殼內圓面之間的間隙。
一旦發現軸瓦變形超標(對于薄壁軸瓦,軸瓦過盈壓隙標準是曲柄銷直徑的0.0008～0.0018),盡早查明原因并消除。
綜合分析此測量結果及曲柄銷直徑測量結果,可得到曲柄銷與軸承的間隙。
發現軸瓦損傷,及時換新,包括:
·合金開裂或剝落；
·外圓面有摩擦磨損跡象；
·外圓面有凹陷其面積超過總表面積的10%；
·外圓面與軸承殼接觸面積少于90%；
·內圓面與軸頸接觸弧度少于140度；
·內圓面與軸頸接觸面積低于90%；
·軸瓦過盈壓隙超標,等。
(3)主機曲拐箱油霧濃度報警裝置
定期(不大于說明書規定時間間隔)檢查和試驗,確保其技術狀況良好,有效。
(4)其他
拆檢還應當注意:
·曲柄銷,定期測量不圓度(橢圓)、不柱度(錐度)和直徑尺度,確認不超過說明書規定值,還要注意磨損引起的軸向凹凸(直徑變化)。
·固緊螺栓,定期測量直徑永久變形量和長度(如有可能最好測量螺栓的直線性度和彈性性能),均不應超出說明書的規定，最好測量螺栓伸長量；
·使用扭力或液壓壓力扳手,預緊力符合說明書規定。
作者：張洪 來源：航海技術
