12V240JZ型柴油机连杆瓦失效分析及预防措施

陈 予，张厚维，刘 徽，叶天文，肖 杰，谭 斌，陈 涛，芦永凯

（1.中国铁路武汉局集团有限公司武昌南机务段，湖北武汉 430064；2.中国铁路武汉局集团有限公司机务部，湖北武汉 430071）

1 部件失效情况

DF7C5414机车柴油机在磨合试验中，油压油温正常、轴瓦润滑状态良好。进入全负荷期1000 r/min 运行3.5 min，柴油机自由端油封盖冒烟。分解柴油机，自由端油封盖与曲轴传动齿轮轴颈磨损，A6 缸（以下简称“A6”）、B6 缸（以下简称“B6”）连杆瓦失效。

1.1 轴颈失效

A6 连杆颈主承载区发黑、发蓝，表现出明显的摩擦特征，A6 轴颈磨损情况比B6 严重（图1）。A6 主磨损区，轴径Ф194.32～194.40 mm（曲轴连杆轴颈）。

图1 A6—B6 缸连杆颈磨损

1.2 A6 上瓦失效

（1）上瓦主负荷区磨损，急剧聚热高温形貌，瓦背发黑面过半，失效轴瓦厚度3.80～3.63 mm（原瓦5.05 mm）（图2）。轴瓦间在高速高负荷下运转，合金面金属物质被快速销磨（图3）。下瓦合金面磨损，磨损量及过热程度小于上瓦，且A6 下瓦背与大端孔座接触状态良好（图4）。

图2 A6 上瓦背过热

图3 A6 上瓦合金面磨损

图4 A6 下瓦失效情况

（2）甄别确认连杆及轴瓦全部测量组装数据，符合规定技术要求。柴油机经空载负荷各阶段磨合，轴瓦已具备相关属性性能，连杆检修及轴瓦组装各项工艺工序得到检验。

（3）失效主要表象是上、下瓦内圆合金与轴颈磨擦，合金物质被快速磨掉脱落直接成为磨屑。高温传导使瓦背受热发黑，原因是瓦与轴颈处半干油膜或无油膜零游隙，且柴油机高速全载荷。

（4）失效类型为直接接触磨损。

1.3 B6 轴瓦失效

（1）B6 上、下瓦失效情况匀好于A6，但上、下瓦背面匀有过热发黄现象（图5）。

图5 B6 上、下瓦背面

（2）受A6 上瓦高热传导辐射，B6 上瓦合金面膨涨，游隙变小，靠近A6 侧上瓦部分，过热量大于另侧。这部分合金先发生热疲劳引发裂纹，少量剥离，游隙变小，合金面进入半干摩擦，化锡合金面剥离失效。热量快速传导下瓦，引发合金面热疲劳剥离，脱落物质参入碾磨损合金面（图6）。

图6 B6 上瓦和下瓦失效

（3）失效类型为合金热疲劳，剥离失效。

2 故障分析

2.1 接触磨损特征[1]

（1）瓦轴间游隙、油膜变小或瞬间为零，由液体摩擦迅速转变轴瓦间接触摩擦，高温使合金面膨涨或化锡剥落，增大接触磨损面积及强度。如果A6 磨损面高热发黑，轴瓦主承载区与轴颈将直接急剧摩擦（图7），高温传导瓦背及大端孔聚热，会殃及下瓦。高热辐射传导给B6 轴瓦，引发B6 轴瓦失效（图8）。

图7 A6 上瓦形貌

图8 B6 上瓦形貌

（2）合金面表面特征：合金面磨损痕迹突出，瓦面快速受热化锡，合金剥离。

（3）对比背面热量分布，A6 背面发黑面大于B6 背面。原因是A6 轴瓦受热高于B6、A6 上瓦磨损重于B6，所以A6 先于B6轴瓦失效。

2.2 自由端油封盖磨损

（1）柴油机进入全负荷约3.5 min，自由端油封盖冒烟，观察油封盖摩擦程度，靠柴油机右侧磨损量比左侧深0.2～0.15 mm，说明运转时曲轴向右偏摆（图9）。

图9 磨损痕迹

（2）曲轴传动齿轮轴颈磨擦油封盖，轴颈深沟磨痕，发黑发蓝，属瞬间剧烈摩擦（图10）。

图10 曲轴传动齿轮轴颈磨损

（3）盖座孔内右侧半圆区磨损明显，磨损部位对应曲轴45°、135°转角。传动齿轮轴颈与油封盖最下点磨损痕迹，对应A6—B6连杆颈下止点转角。曲轴运转过程中，发生偏甩现象，A6—B6 连杆颈运转相位与传动齿轮轴颈磨损部位同步。传动齿轮轴颈处最下点正是A5—B5 连杆颈处正爆发做功，动能最大。曲轴传动齿轮轴颈在最下点与油封盖互磨，与A6—B6 连杆颈做功无关联（图11）。

图11 连杆旋转相位

3 故障突出特征

3.1 油封盖故障情况

油封盖右侧磨损角度正对应连杆颈，A6—B6 上瓦受力承载由上始点向下始点运转时间区段，此时曲轴连杆颈轴线向右偏甩，A6 上瓦处重载区，连杆颈轴瓦间游隙最小，A6上瓦被迫与轴颈发生接触磨损，瓦与轴颈发生接触性摩擦快速失效。

3.2 异常外力作用

观察第一位主轴瓦，发现下瓦外侧边缘有径向条带状痕迹宽8.4 mm、长2/5 圆周（图12）。曲轴传动齿轮轴颈（硅油减振）自由磨损部位，与A6、B6 下止点同角度。此时曲轴转角A6、B6 不能产生向下最大动能[2]。主轴瓦没有接受垂直径向载荷客观条件，不能对下瓦边缘产生扫磨。只有曲轴系受外力作用才能使曲轴自由端下沉，使轴瓦边缘区低游隙状态，制造边缘痕迹。

图12 轴瓦外边缘痕迹

观察其他6 位主轴瓦上下瓦润滑状态良好。说明传动齿轮轴颈与油封盖相磨，是受自由端外加力系作用，柴油机升降速时，轴系统振动偏甩幅值与A6—B6 连杆颈振动峰值同步。

3.3 曲轴连接部件情况

测量曲轴传动齿轮轴颈法兰端面，端面水平跳动量0.16～0.3 mm 曲轴传动齿轮轴颈法兰面，在高速重载运转中受外力扭曲变形。拆检曲轴硅油减振器全面检查各部件状态良好，符合规定技术要求。

这再次证明曲轴系统受外部附加力系作用发生偏甩现象。

4 偏甩危害

当A6 缸正爆发下行时，曲轴连杆颈轴线右偏，A6 缸上瓦磨损起始，轴瓦间游隙迅速减小，上瓦主承载区直接与轴颈半干或干摩擦，磨损失效。瓦背聚热高热，说明是直接接触磨损。另外，曲轴被扯拽向下偏甩过限，传动齿轮轴颈与油封端盖相互磨损。

4.1 偏甩原因分析

（1）曲轴传动齿轮轴颈法兰相连自由端长传动轴，曲轴传动齿轮法兰端面扭曲变形，长传动轴偏甩是策源点。长传动轴长1574 mm。高速转动时产生运动惯性量，A6 运转做功时，上瓦与轴颈间游隙被挤占掉，轴瓦磨损性失效。故障后，测量A6 大端孔其合口B—B 方向直径为Ф205.15 mm，比Ф205.05 mm 增大0.10 mm，超限中修限度0.04 mm[3]。A6 连杆大端孔运转过程中，合口水平方向受载荷作用过大，大端孔出现较大椭圆度超限。

（2）柴油机快速加载至1000 r/min，传动轴花键套与花键轴间有短时冲击跳动偏甩。曲轴在高速运转中，自由端曲轴传动齿轮轴颈被牵扯下沉磨损油封盖最下部。

（3）曲轴硅油减振器系统，各部件角速度相等，线速度最大，径向离心惯性力最大，长轴偏甩动能传硅油减振器中心区域角速度向量被放大，与线速度相近连杆颈同频偏甩，即A6—B6 连杆颈首位响应，磨损轴瓦。

5 故障梳理归纳

（1）长轴跳动量大，高速高载时，偏甩幅值与A6—B6 连杆颈同步，偏甩挤占游隙，上瓦与轴颈接触互磨失效，危害B6，进而引发轴瓦失效。

（2）故障发生后，更换上备品柴油机，启机磨合负载试验时，同样全负荷转速1000 r/min 时，柴油机再次复制故障原版本。曲轴传动齿轮轴颈磨损油封盖，A5—B5 连杆瓦轴颈失效。

（3）拆检长传动轴测量花键与键套侧隙为1.7～1.9 mm。查阅连杆瓦异常失效故障案例，DF43220机车因牵引发电机转子轴偏甩，第15 缸连杆瓦严重失效。DF40486机车NPT5 空气压缩机，因电机轴跳动量大偏甩，连杆瓦异常失效。这两例均为外轴偏甩同振引发连杆瓦失效。

（4）2020 年10 月中修DF7机车460C#第1 位连杆颈严重磨损失效，对应外部连接传动轴多部件失效，振动偏甩严重。

（5）主要原因推定：柴油机高速重载时，长轴偏甩，引发轴瓦接触性磨损失效故障。

（6）更换新柴油机，且修复调整长轴优化安装后，柴油机启机负荷试验顺利通过。

6 改进措施

（1）长轴动平衡试验，静态跳动量测量，符合规定技术要求。

（2）长传动轴安装，执行设计技术要求。

7 结论

通过故障分析，认识柴油机系统相关部件的每个部件非单独运转，每个部件相互关联影响，每个环节事关全部整体。长轴检修执行工艺标准后，车上装配执行各项技术要求，解决了此类系统故障。