1连杆大端轴瓦抱轴事故

最近几年,某公司多艘船龄在10年以上的不同品牌的500r/min定速四冲程柴油主机，都发生过类似的连杆大端轴承轴瓦抱轴事故。

这些事故均发生在:

·船龄较大(10年以上)；

·变距桨定速主机加速到额定转速后不久。

事故损失巨大。例如某轮,变距桨定速主机启动,达到额定转速后不久,曲拐箱油雾浓度报警装置报警,停车检查,见某缸连杆大端轴承轴瓦抱轴,只能卸货进厂修理。此外,事故还带来包括降低主机输出功率(研磨轴颈导致直径减小)、重复装卸货、损害班轮信誉等间接损失。

各主机生产厂家的有关专家诊断和分析,提出了许多不同建议。

主机生产厂家人员一般认为主要原因是轴瓦使用时间超过5万小时而磨损和变形,使得轴瓦温度不均匀且散热性能差,导致个别点凸起引起粘着摩擦,不得不更新主机全部连杆大端轴瓦和主轴瓦。

这里,分析四冲程柴油机连杆大端轴承(以下简称轴承)轴瓦抱轴事故的原因和机理以及防范措施,水平有限,敬请指教。

2原因思考

2.1轴承变形

图1是活塞连杆机构作用力分析示意图。

曲柄销受力F,可分解为推动曲轴旋转运动的切向分力B以及与切相分离垂直的法向分力C。

法向分力C的大小和方向随曲柄转动周期性变化,而且轴承与曲柄销之间存在间隙,所以曲柄销会与轴承的剖分处相互撞击。长期撞击，磨损轴瓦和轴承壳,使轴承壳内孔变为椭圆形,即图2所示的A变大。

图2所示的A变大,是抱轴事故的根本原因。

2.2轴瓦

轴承内孔变形为椭圆形,导致轴瓦松动:

·椭圆形轴承内孔曲率不均匀,轴瓦无法紧贴轴承内孔,造成曲柄销、轴瓦和轴承三者之间敲击磨损。

·椭圆形轴承内孔径向长度大于轴瓦背部径向长度,致使轴瓦背部不能紧贴轴承内孔,严重时甚至轴瓦与轴承有相对转动，造成轴瓦和轴承的移动磨损。

敲击磨损和移动磨损，都导致曲柄销、轴瓦与轴承之间的间隙进一步加大，磨损进一步加剧。

2.3润滑

目前柴油机都采用强力润滑方式,即依靠滑油压力和轴的转动形成连续油膜,隔离摩擦面,承载压力,减少磨损。强力润滑需要足够的滑油和一定的转速。

轴承内孔变为椭圆形,轴承剖分处(图2中的A)间隙增大,滑油漏泄,破坏油膜,摩擦加剧,磨损增加,过热烧融,是连杆大端轴承轴瓦抱轴的关键。

2.4事故机理

2.4.1前提

曲柄销与轴承剖分处的撞击,使轴承内孔变为椭圆形(图2中的A变大),需要相当长时间。所以,船龄大、设备老化的船舶易发生这类事故。

但是,能完成事故前的航次及其进港机动航行,证明轴承内孔变形的漏油还没有严重到不能建立润滑油膜的程度,滑油压力得以保持就是明证。

轴承内孔变形的漏油还没有严重到不能建立润滑油膜的程度,是本文讨论的轴瓦抱轴事故的前提。

2.4.2定速主机启动到额定转速的几个阶段

为什么主机可以保证事故前的航次及其进港机动航行,而启动加速到额定转速后不久发生事故呢？有必要分析启动和加速过程轴承的润滑情况。

定速主机,启动后不长时间即以额定转速运转。

强力润滑的机理,是依靠滑油压力和轴的转动形成连续油膜。

(1)暖机阶段

轴承受力(F)为零,转速为零。

暖机时已启动主机滑油泵,由于轴承内孔变形的漏油还不是很严重滑油压力得以建立。

但是,轴承和曲柄销处于静止状态:

·没有转动不可能建立油膜；而且

·滑油不会进入轴承紧贴曲柄销的部位。

说明书要求暖机时主机盘车,就是希望滑油进入轴承紧贴曲柄销的部位。

(2)启动阶段

因为需克服静摩擦力轴承受力大于低速运转和额定转速运转,且负荷增加得快。

轴承与曲柄销处于边界润滑状态即有润滑油的接触摩擦,摩擦剧烈,磨损和发热严重。但持续时间短,且设计时已考虑这种情况,即使轴瓦轻微损伤,一般也不会成为故障。热量和摩擦产生的微粒,有待于随后低速运转时被滑油带走。

轴承与曲柄销接触面的油膜尚未建立,与轴承内孔变形关系不大。

为防严重轴瓦损伤,应谨慎操作:

·启动油门不可过大即防止轴承受力过大；

·油气并进时间不可过长。

(3)低速运转阶段

此时轴承受力最小。

油压和转速使油膜得以建立,形成强力润滑。为防止损伤轴瓦说明书通常都规定低速运转阶段的时间应足够长,因为:

·轴承受力小,润滑效果较好,使轴承油膜有一段调整时间；

·需要滑油带走启动阶段轴承产生的热量和磨损微粒。

但对于轴承壳变形滑油漏泄的柴油机,转速低则可能不形成油膜导致有润滑油的接触摩擦,也可能油膜时断(油膜润滑)时续(有润滑油的接触摩擦),磨损严重,不仅不能带走启动阶段轴承产生的热量和磨损微粒,而且还会增多热量和磨损微粒,最好略提高转速,缩短时间。

(4)加速阶段

随主机转速增加,油膜承压能力也逐渐提高,轴承受力逐渐加大。

为防止油膜承压能力的提高眼不上轴承受力的加大,损伤轴瓦,说明书通常都规定启动后加速过程时间应足够长。因为主机加速过快,轴承受力突然大幅增加,会损伤轴瓦。

(5)额定转速(空载即螺距为零)阶段

主机达到额定转速,轴承受力不高(空载),轴颈表面线速度(相对轴承)最高,润滑油膜稳定。

所以,额定转速空载运转最不应该发生轴瓦过度磨损抱轴事故。实际发生的轴瓦抱轴事故,只能是前几个阶段的轴瓦损伤,到了额定转速阶段,轴颈表面线速度高,持续时间(相对前几个阶段)长,磨损加剧,轴瓦损伤进一步扩大所造成的。

2.5结论

综观从暖机、启动到额定转速空载运转的五个阶段,对于连杆大端轴承内孔变形(漏油还没有严重到不能建立润滑油膜的程度)的主机,启动加速到额定转速后不久就发生轴瓦抱轴事故,可能的原因有:

·暖机时,主机未充分盘车；

·启动时,油门过大,和/或油气并进时间过长；

·低速运转阶段,转速过低和/或时间过长；

·加速过快。

以上四项(尤其是后三项),没做到某一项都可能损伤轴瓦；没做到数项,轴瓦损伤加剧且得不到自行修复,就可能在启动加速到额定转速后不久发生轴瓦抱轴事故。

3防范建议

3.1规范操作

鉴于上述分析,主机操纵,在说明书规定范围内:

·暖机时,尤其是启动前,充分盘车；

·启动时,油门宜小,油气并进时间宜短；

·低速运转阶段,转速应略高,时间不宜过长；

·主机加速,不宜过快。

·运行中,严密监视主机滑油压力,及时发现滑油压力降低并查明原因。

滑油因轴承内孔变形而漏泄的事故先兆是油压降低,但这只是理论上。漏油还没有严重到不能建立润滑油膜的程度,亦即轴承内孔变形还没有大到油压明显降低的程度,很难发现和确认。

3.2预防检修,及时更换超标轴承和螺栓

(1)轴承

定期(不大于说明书规定时间间隔)检查轴承壳外观,测量孔径,分析测量结果,及时发现轴承壳损伤,包括裂纹、内孔表面较大面积凹陷和任何凸起、两半轴承壳结合面不平整和摩擦痕迹、变形超标等。

测量方法:

①拆出连杆,卸除轴瓦,清洁轴承壳；

②装复轴承壳,按规定预紧力上紧螺栓；

③在轴承孔轴线方向均分的至少三个面上,分别沿连杆中心线方向、与连杆中心线左右成60°和接近90°等五个方向,测量至少共15个数据。

一旦发现轴承壳损伤或变形超标,尽早更换。

(2)轴瓦,及其与轴承壳、曲柄销的配合

定期(不大于说明书规定时间间隔)测量和分析轴承内径以及轴瓦与轴承壳过盈压隙，及时发现轴瓦变形超标。

测量方法:

①拆出连杆,解体轴承,清洁；

②装复轴瓦和轴承,按规定预紧力上紧螺栓；

③在轴承孔轴线方向均分的至少三个面上,沿连杆中心线方向、与连杆中心线左右分别成60°和接近90°等五个方向,测量至少共15个数据；

④松开螺栓螺帽,测量轴瓦过盈压隙,即轴瓦外圆面与轴承壳内圆面之间的间隙。

一旦发现轴瓦变形超标(对于薄壁轴瓦,轴瓦过盈压隙标准是曲柄销直径的0.0008～0.0018),尽早查明原因并消除。

综合分析此测量结果及曲柄销直径测量结果,可得到曲柄销与轴承的间隙。

发现轴瓦损伤,及时换新,包括:

·合金开裂或剥落；

·外圆面有摩擦磨损迹象；

·外圆面有凹陷其面积超过总表面积的10%；

·外圆面与轴承壳接触面积少于90%；

·内圆面与轴颈接触弧度少于140度；

·内圆面与轴颈接触面积低于90%；

·轴瓦过盈压隙超标,等。

(3)主机曲拐箱油雾浓度报警装置

定期(不大于说明书规定时间间隔)检查和试验,确保其技术状况良好,有效。

(4)其他

拆检还应当注意:

·曲柄销,定期测量不圆度(椭圆)、不柱度(锥度)和直径尺度,确认不超过说明书规定值,还要注意磨损引起的轴向凹凸(直径变化)。

·固紧螺栓,定期测量直径永久变形量和长度(如有可能最好测量螺栓的直线性度和弹性性能),均不应超出说明书的规定，最好测量螺栓伸长量；

·使用扭力或液压压力扳手,预紧力符合说明书规定。

作者：张洪  来源：航海技术