柴油机连杆弯曲分析及预防措施

连杆是柴油机最重要的部件之一,连杆在工作过程中,要承受周期性不断变化的燃烧压力和惯性力的交变载荷作用,其工作条件十分恶劣,在船舶轮机管理工作中,对连杆的检查工作是不容忽视的。在修理工作中,多次遇到连杆弯曲、变形,甚至折断而造成重大机损事故。下面以某轮副机的连杆故障为例,分析连杆弯曲变形的原因及预防措施。

1 案例分析

某轮 1号副机在常规吊缸保养工作中,出现 2号连杆弯曲变形。

机型,YANMAR 6MAL—UT;缸径,200 mm;行程,240mm;汽缸数,直列 6缸;转速,1 000 r/m in;最大燃烧压力,10MPa;功率,463 kW。

1.1 故障描述

该柴油机作为发电机投入使用已有 24年,累计运行 87 000 h,以往未发生同类故障。拆开曲轴箱道门进行检查,盘车转动正常,2号连杆在靠近高压泵端有与缸套右下边缘碰擦痕迹。吊起活塞时,连杆大端盖卡在缸套内壁,用电动角磨机磨削后吊出机外。

拆出活塞后发现:①活塞、活塞环、连杆螺栓完好;②缸套内壁除了右下边缘磨削 15 mm×10 mm凹口外,其余部位光滑,无拉缸痕迹;③连杆轴瓦、活塞销轴承正常;④连杆杆身弯曲部位距离小头中心线 240 mm,接近杆身中段。

通过测量数值显示,大、小端孔中心线不平行度达到 13.5 mm/m,大大超过了 JT/T54-93《船用柴油机连杆弯曲偏差》中 “大、小端孔中心线不平行度不大于 0.02mm/m”的规范要求;除连杆弯曲变形外,其余数值在合格范围内。为了安全起见,我们将其余 5根连杆全部拆出作测量检验,结果均正常。

1.2 案例分析与探讨

检修前,柴油机运转正常,使用负荷在 50%以下,查阅以往修理记录,距离上次检修时间为3 200 h,可以判断连杆弯曲发生的时间是在这3 200 h的时间内。

从材料力学性能可以得知,材料的疲劳寿命与交变应力的大小有关。如果材料承受的交变应力小于材料的疲劳极限,则材料可以承受无数次交变应力而不会发生疲劳变形 (即疲劳寿命无限)。在交变应力作用下,如果疲劳寿命超过 106～107次交变应力以上,则可视为该零件承受的交变应力小于材料的疲劳极限,在正常使用的情况下,该零件不会发生疲劳损伤。

该机在出现连杆变形前,累计运行时间87 000 h,按照转速 1 000 r/min计算,连杆已经承受 2.61×109次交变应力循环作用,大大超过 107次疲劳极限,也就是说,排除了由于材质原因导致连杆弯曲变形的可能,而最大的可能是该连杆在使用过程中曾受到过负荷损伤,主要表现为:①启动前燃烧室进水,产生液击,这种情况对连杆的损伤极大;②启动瞬间超负荷,该类型柴油机采用1.8～3 MPa压缩空气启动,在油门拉杆安装了一套启动限油装置,以控制启动时高压泵供油量,在检查中,我们发现启动限油装置不起作用,柴油机在风油并进阶段因供油量过大,汽缸安全阀起跳,出现瞬间超负荷;③运转中各缸供油量不均匀,导致个别缸长时间超负荷;或者供油提前角过早,汽缸燃烧压力过高;机器负荷变化剧烈,或者突然停车。这些都会造成连杆过负荷损伤。

2 预防措施和使用建议

YANMAR柴油机是目前船舶常用机型,该机型用途广泛,可靠性好,出现连杆弯曲是个别现象,但也要引起足够重视。

通过以上对 YANMAR 6MAL—UT柴油机连杆弯曲的分析,连杆弯曲属于非正常疲劳损伤造成,如果不采取预防措施,此类型故障还会继续出现,严重的话会导致整台柴油机报废。

连杆由开始弯曲到造成机损有一个过程,建议在以后的工作中应在以下几个方面多加注意。

①加强对连杆检查,如能及时发现,可避免事故的发生,就案例柴油机而言,连杆杆身与缸套下边缘的距离很小,连杆稍有弯曲,就会与缸套下边缘摩擦,因此平时定期开曲轴箱道门检查,这是最简单,也是最有效的的办法。②在每次拆检修理前,对连杆检查,除常规的连杆螺栓、连杆大端孔、轴瓦、活塞销等部件外,还要测量连杆的弯曲值。③在每次启动前,开启示功考克盘车,避免由于有水进入汽缸造成液击。④使用中经常观察机械运行参数,特别是对 Pmax的检测,尽量减少突变负荷、突然停车。⑤对启动限油装置进行检查、调整,避免启动时油量过大。⑥特别值得注意的是,一般更换随机新连杆备件时,也要做好测量工作,笔者曾经经历随机新连杆备件变形的情况,连杆备件由于长时间平放在备件箱内,连杆杆身中部下垂变形。正确的连杆放置方法是连杆垂直固定悬挂,对于变形的连杆,可采用冷态或热态下校直、测量合格后使用。