和谐型机车柴油机凸轮轴齿轮螺栓断裂分析

罗瑛琅 白余圣 沈海琴

摘  要：通过对某和谐型机车柴油机凸轮轴齿轮螺栓断裂进行分析，找出失效的主要原因，采取有效措施进行预防。

关键词：柴油机;齿轮;螺栓断裂;分析

1  问题的提出

某公司大修的和谐型机车，在客户运用过程中多次发生柴油机凸轮轴齿轮螺栓松脱断裂故障。根据故障数据，从机车走行公里数、间隔时间看，螺栓断裂为随机性。最短的走行1万公里、出厂1个月;最长的走行了18.8万公里、出厂14个月。螺栓断裂的位置基本相同，从杆身与螺栓头部的过渡圆弧处断裂。目视断口，没有明显的疲劳贝纹线（图1）。

2 原因分析

2.1 螺栓材质分析

将标识1#的断裂螺栓检测分析，金相、硬度、化学成分、表面脱碳层、非金属夹杂物，均符合相关技术要求。螺栓断口为脆性断裂。将断裂螺栓断口面用电镜扫描，断口面无明显的机械损伤，无孔洞，无夹渣等原材料缺陷。

裂纹源及附近表面金相组织如图2所示，为回火索氏体+少量颗粒状碳化物，表面无脱碳现象。螺栓芯部组织如图3所示，为回火索氏体+少量颗粒状碳化物。

将断裂螺栓螺栓试样纵向进行磨抛后在显微镜下观察，根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标準评级图显微检验方法》，非金属夹杂物评级结果为：A0，B0，C0，D1.0。如图4。

断裂螺栓硬度检测结果： 42.5，42.5，42.5 HRC。符合GB/T 3098.1-2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》其中性能等级12.9等级螺栓硬度39-44 HRC要求。

在断裂螺栓上取样进行化学成分分析，结果如下：

根据GB/T 3098.1-2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》，其中性能等级为12.9级螺栓的材料化学规定，C： 0.28-0.50，P：≤0.025，S：≤0.025。合金钢中至少应含有下列的一种元素，其最小含量分别为：Cr 0.30%，Ni 0.30%，Mo 0.20%，V 0.10%。当含有二、三或四种复合的合金成分时，合金元素的含量不能少于单个合金元素总和的70%。断裂螺栓的化学成分符合标准要求。

2.2 螺栓检查

抽查未断裂的螺栓，螺纹尺寸符合要求。查看螺栓外观，个别螺栓安装面的边缘存在磕碰伤高点（图5），同时，在断裂螺栓也发现螺栓安装面边缘有碰伤高点已被磨平的痕迹（图6）。该高点的存在，螺栓安装后会对螺栓形成偏载，发生螺栓松动、断裂。对螺栓制造现场审查，螺栓为流水线下料、滚丝，螺栓成型后再进行热处理。螺栓成型后自动掉落到一个铁框内，铁框内无相关的软体防护，容易造成螺栓的磕碰伤。且螺栓发料出库时，没有对螺栓进行外观检查的流程。

2.3 螺栓组装工艺检查

凸轮轴齿轮组装、螺栓紧固的工艺流程已执行近12年，相关要求明确、可执行。故障发生后，跟踪了近1个月的执行情况，现场按工艺要求执行。

2.4 检修过程分析

故障机车均是大修后，柴油机凸轮轴齿轮螺栓断裂故障次数明显增加，调查方向聚焦于检修过程的控制。通过调查分析，主要存在以下两个检修控制不到位的问题：一是与螺栓配合的个别螺纹孔状况不良;二是凸轮轴齿轮定位凸圆表面存在磕碰伤高点。

个别状况不良的螺纹孔，虽然通规通不过，但是螺栓可以拧入。螺栓拧进去后，因螺纹的配合存在异常，在柴油机运转过程中，螺栓会发生松动，进而导致螺栓断裂。

根据图纸尺寸，凸轮轴齿轮定位凸圆的底面与定位孔底面的间隙为0.5-1.2mm。凸轮轴齿轮定位凸圆边缘若存在磕碰伤高点未消除，当磕碰伤高点的高出度超出了两者的间隙，凸轮轴齿轮安装后会形成“倾斜”，造成凸轮轴齿轮螺栓偏载，导致柴油机运用过程中螺栓断裂。前期凸轮轴齿轮检修工艺流程不完善，对定位凸圆的检修没有予以明确，存在磕碰伤高点没有消除的问题（图7）。

2.5 原因分析

综合上述的调查分析，造成柴油机凸轮轴齿轮螺栓松动断裂的原因有：一是螺纹孔状况不良，二是螺栓载荷异常。造成螺栓载荷异常的原因是：凸轮轴齿轮定位凸圆磕碰伤高点未消除、螺栓安装面边缘磕碰伤高点未消除。

3  改进措施

查明原因后，采取了以下措施：一是完善螺纹孔的检修过程控制，用通规检查与凸轮轴齿轮配合的螺纹孔状况，若存在异常，将螺纹孔用丝攻修复处理;二是完善凸轮轴齿轮的检修工艺流程，补充定位凸圆外观检查的具体要求，若有磕碰伤高点，需打磨消除。另外，增加凸轮轴齿轮安装前对定位凸圆外观检查流程，检查后对齿轮实物进行拍照留存，确保过程执行到位;三是完善螺栓制造过程中的防护，在铁框内放置橡胶垫，防止螺栓成型后发生磕碰伤，同时在螺栓出库发料时，逐个检查螺栓的外观，将安装面存在磕碰伤问题的螺栓予以剔除。四是凸轮轴齿轮安装前增加对螺栓安装面边缘进行外观检查的流程，防止有磕碰伤的螺栓被装用。

另外，在凸轮轴齿轮组装过程中，为了预防螺栓紧固力矩执行不到位的问题发生，在齿轮安装后，增加了专职检查人员对力矩的抽查流程，每个齿轮随机抽查5个螺栓的力矩，若发现有螺栓力矩达不到工艺要求，将该齿轮的螺栓全部松开，重新按工艺要求紧固。

4 结束语

通过对螺栓断裂故障进行调查分析，针对性的制定了相应性的改进措施。上述措施执行后检修出厂的机车，凸轮轴齿轮螺栓未再发生松脱断裂故障，效果明显。

参考文献

[1]李人宪，车用柴油机，北京：中国铁道出版社，1999.9

作者简介：

罗瑛琅（1981- ），男，高级工程师，本科。

2698500511296