关于一例SULZER 5AL25/30型船用柴油机曲轴烧瓦故障的分析

袁 对，陈建良

(浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021)

1 故障情况

某巴拿马型散货船发电柴油机型号为SULZER 5AL25/30，共三台，额定转速750 r/min，额定功率735kW，上世纪八十年代初波兰生产，由于机器磨损老化，航行中使用两台柴油发电机，单机输出功率约350kW。

该轮某航次定速航行中，值班轮机员巡回检查时发现该副机曲轴箱有轻微异常声响并且第四、五缸道门温度略高，立即更换备用发电机组。停车后立即盘车，发现有卡阻现象。待充分冷却后打开曲轴箱道门检查，发现第四、五缸连杆大端轴瓦出现“挤铅”现象 (该轴瓦材料为铅基巴氏合金)，拆解此两缸连杆大端后发现有大量融化的轴瓦合金粘着在曲柄销轴颈处，连杆大端轴瓦表面部分白合金明显剥落，且有较深的划痕。

2 故障诊断过程

查阅机舱监测警报系统中的历史报警记录后发现并没有柴油机滑油低压或失压等异常记录。查阅柴油机检修记录簿发现距上次常规吊缸保养后才运行约1000 h，同时发现该次吊缸检修时未对连杆大端轴瓦和曲柄销进行测量、更换。

据值班人员描述，事故发生时曲轴箱滑油油位正常。事故后对该柴油机的滑油低压保护和报警进行测试，结果均正常。根据上述情况可以初步诊断为轴瓦因缺乏有效润滑的情况下发生局部黏着磨损导致的烧瓦。

柴油机轴瓦与曲轴烧死，俗称“烧瓦”。“烧瓦”是柴油机最忌讳的一种严重故障，造成这一故障的主要原因是发动机的机械负荷和热负荷过大，机油供给不足的情况下，曲轴与轴颈之间未能形成有效的润滑油膜，导致曲轴与轴瓦直接摩擦，形成表面高温，轴颈与轴瓦相互烧结咬死，致使发动机无法正常运行[1]。

3 故障原因分析

3.1 曲轴的工作状态分析

柴油机曲轴与轴承的摩擦包括两对运动摩擦副，柴油机曲轴的主轴颈与主轴承是一对作回转运动的运动副;曲柄销颈与连杆大端轴承是曲柄销颈在摆动的大端轴承内作回转运动的运动副。一般主轴颈与主轴承之间可以形成楔形油膜，实现流体动压润滑，运动副处于流体摩擦状态。流体动压润滑是指利用摩擦表面的相对运动使润滑剂流体产生楔形油膜或挤压油膜来承受外部载荷并隔开摩擦表面[2]。正常工作时 (正常转速时)楔形间隙内油膜压力的合力与外载荷平衡，轴颈在某一偏心位置平衡运转。该平衡位置会随工况而变化，油膜厚度也将随着变化。当在最小的油膜厚度区域内，局部压力很高，甚至是轴承平均压比的6～10倍，过高的负荷使油膜遭到破坏，轴与轴瓦发生直接接触造成磨损。

曲柄销与连杆大端轴承的运动及受力情况如图1。连杆大端轴承随曲柄销作回转运动，同时曲柄销颈相对于大端轴承转动。在大端轴承中，由于轴承孔径大于曲柄销轴径，当大端轴承上瓦压在曲柄销颈上时，在曲柄销颈下方出现月牙状间隙。随着曲轴转动，粘附于曲柄销颈上的润滑油被带入月牙状间隙中形成楔形油膜，实现液体动压润滑。

图1 曲柄销与连杆大端轴承的运动及受力图

3.2 曲轴发生烧瓦 (轴瓦烧熔)的原因分析

根据以上分析，曲轴在运转过程中会发生磨损并且是不均匀的磨损，最终会导致轴颈和轴瓦的不均匀磨损。从轮机维护与修理的理论知道磨损分为黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等，其中曲轴发生黏着磨损 (烧瓦)的原因有很多，主要有以下几个方面:

(1)滑油中断—曲轴轴承在断油的情况下由于干摩擦产生的热量非常大，在极短的时间内就可能导致白合金黏着甚至轴瓦抱死。

(2)滑油压力过低—由于轴颈与轴承之间的配合间隙较小，过低的滑油压力将无法使滑油顺利进入两接触表面形成边界润滑，最终无法建立有效的动压润滑，容易导致轴颈与轴瓦局部直接接触形成干摩擦。

(3)滑油中有水或混入柴油—滑油里混入柴油或水以后，会加快滑油的变质，一方面使得润滑油的粘度下降很多，另一方面使得机件间的腐蚀加剧，在轴承与轴颈间形成腐蚀磨损。

(4)轴承配合间隙过大—间隙过大时会导致油液泄漏，从而无法实现动压润滑，同时由于机械负荷的长期作用，会在轴瓦上产生疲劳裂纹，最终导致白合金龟裂脱落。

(5)轴承配合间隙过小—间隙过小会导致无法形成足够厚度的油膜，在负荷的作用下，轴承与轴颈直接接触概率上升，同时引起轴承传热不良，最终导致黏着磨损。

(6)机械负荷过大—过大的机械负荷导致冲击力加剧，特别对于连杆大端轴承，过大的冲击瞬间会使油膜被挤压，轴承与轴颈间发生直接接触形成干摩擦。

(7)曲柄销轴颈或轴瓦磨损后，其形状尺寸误差圆度、圆柱度超过规定值产生局部比压过大，在正常负载下也会导致油膜被破坏而形成干摩擦等。

根据上述原因的分析和低压保护的测试结果，初步排除第1、2项的可能性。查阅检修记录本最近一次的测爆数据也没有发现爆压特别高的记录，据此可排除第6项。

综上所述，本次事故中产生轴瓦黏着的主要原因极有可能是以下两大方面:

(1)滑油油质问题。在检修过程中同时对油底壳中滑油进行了取样检查，无乳化现象且粘度正常，可排除大量混入水和柴油的可能性，并装瓶送厂做进一步化验。

(2)轴颈和轴瓦有过度的磨损。当轴颈或轴瓦长期磨损后会产生圆度误差和圆柱度误差，导致轴颈与轴瓦之间的配合间隙发生变化，破坏油膜的形成，无法建立正常的动压润滑，引起局部干摩擦。

3.3 故障根本原因分析

根据上述结论继续对产生该事故的机理进行深入分析。一般来说导致轴颈与轴瓦异常磨损的原因无非是油液中混有固体杂质导致的磨粒磨损、油液变质导致的腐蚀磨损等。但在本起故障中从拆卸的轴瓦中未发现明显的磨粒磨损痕迹，并且在后来对其他缸的吊缸检修中亦未发现类似现象。

其实在分析故障时，当时忽略了老龄船舶机械设备的磨损问题。老龄船用柴油机的曲轴轴颈、曲柄销轴颈经过多年的磨损后，可能已经接近甚至超过了磨损极限，即使更换新的轴瓦后两者的配合间隙还有可能是偏大甚至是不均匀的，过大且不均匀的间隙又破坏了动压润滑的形成，加剧了轴颈的磨损。

同时，对机舱的管理漏洞也进行了深入的调查。根据主管轮机员的描述，该柴油机长期以来一直是做为备用机组使用的，基本上半个月左右才使用一段时间，运行时间较少。在检查到润滑系统时发现该柴油机的预润滑油泵在开启后很长一段时间后建立不了压力，且建立后的压力也不足0.2MPa(低于设定值0.25MPa)。最为关键的是预润滑的低压联锁保护也已失效，平时当值班机工启动柴油机时没有关注预润滑油压，只是简单的把预润滑油泵一开就直接启动柴油机。

通过现场测量第四、五缸的轴颈和轴瓦几何尺寸，计算出圆度和圆柱度，发现均已超出了说明书要求的极限值，至此，这起事故的根本原因已基本查明。柴油机曲轴在长时间停置后曲轴的摩擦副中已没有残留的油滴，冷车起动时没有充分的预润滑，启动后到主油泵供油这段时间内并没有形成有效的边界润滑，轴颈与轴承之间产生干摩擦，加速了轴颈的磨损，严重时甚至产生粘着磨损。同时，此次故障之所以发生在第四、五缸，并不是偶然，也是有一定的原因的。因为机带滑油泵一般多由自由端传动，滑油是从第一缸曲轴开始供油，所以相对而言第四、五缸曲轴轴颈轴瓦处的滑油压力最小，产生异常磨损的概率也最大。

4 柴油机的修复工作

(1)确定修复原则，进行初步修复。由于该机型是80年代生产，大部分的备件都需要定制，而且曲轴的造价又是相当昂贵，因此在保证强度的前提下，尽可能修复损伤的曲轴。首先由船上操作先去除黏着的轴瓦合金，利用船上现有的油石等工具铲除、磨屑后抛光，以保证表面粗糙度。

(2)计算几何误差，确定修复工艺。根据测量结果，计算第四、五缸曲轴轴颈的最大圆度及圆柱度误差分别为0.23 mm、0.38 mm。一般来说，柴油机曲轴轴颈直径在Φ80mm以下，其圆度及圆柱度误差超过0.025 mm，或者直径在Φ80mm及以上，其圆度及圆柱度误差超过0.040 mm的曲轴，均应按规定尺寸进行磨削。修理尺寸法是修复配合副零件磨损的常用方法。所谓修理尺寸法是将配合件中较重要的零件或较难加工的零件进行机械加工，消除其工作表面的损伤和几何形状误差，使之具有正确的几何形状和新的基本尺寸 (修理尺寸)。依此修理尺寸制造与之配合的另一零件使二者具有原设计配合间隙值。根据以上计算以及船上备件中有加厚的三种轴瓦，分别加厚0.10 mm、0.25 mm、0.40 mm，决定对第四缸曲柄销轴颈磨削约0.50 mm，第五缸曲柄销轴颈磨削约0.80 mm，磨削量均在柴油机生产厂家允许的最大范围内。为保证表面粗糙度和形位公差的要求需联系专业厂家进行曲柄销颈的磨削。

(3)磨削后的强度校核。柴油机的曲柄销轴颈直径为Φ225 mm，依据船舶行业《船用柴油机修理技术标准》，轴颈d减少量超过0.01 d应当进行强度校核。依据《钢质海船入级与建造规范》和《柴油机强度》中相邻两曲柄支撑等距、直列式整体锻钢曲轴强度核算公式求出理论最小轴径(包含1.5倍安全系数，材料抗拉强度σb取下限)[3]:

(4)根据轴颈的修理尺寸选配加厚轴瓦。第四缸曲柄销轴颈直径磨削后为Φ224.50mm，可选用加厚0.25 mm的轴瓦。第五缸曲柄销轴颈直径磨削后为Φ224.20mm，可选用加厚0.40 mm的轴瓦。这样保证了原有的正常轴承间隙，保证润滑油膜的建立。

(5)按照柴油机修理装配工艺进行装配，并进行负荷试验，检验修理质量。

5 管理上采取的改进措施

故障解决后，根据故障发生的机理，找出机舱管理中存在的漏洞，提出如下改进措施:

(1)加强监督管理，认真巡回检查。对于老龄船舶，机舱设备一般都进入了磨损故障期，故障发生的概率大大提高，只有加强监督管理，增强值班人员的责任心，才能在第一时间发现故障的现象，从而减少波及性故障的发生。

(2)端正工作态度，规范操作规程，提高检修水平。设备发生故障的原因归根到底大部分是由于人为因素造成的，机舱管理人员应提高安全意识，规范操作规程。特别是在设备的维护保养方面，一定要认真细致地检查测量设备易损部件的状态及尺寸，及时掌握设备运行工况的变化情况，从而能准确预判设备的实际状况。

(3)培养情景意识，加强人、机、环境的管理。设备发生的故障往往不是独立存在或偶然发生，都有其根本性的原因。只有充分加强轮机管理的关联研究，对人、机、环境三者内部关系有清楚的了解，“以不变应万变”，才能使得轮机人员在任何时候都能对轮机参数的变化产生相应的“条件反射”，形成良好的情景意识，进行全面认识和预见[4]，才能抓住主要矛盾，采取有效的预防措施及时切断形成的失误链，从而提高整个机舱系统的整体可靠性。

6 结语

此次故障分析和处理让我们深刻认识到加强机舱设备日常检测和维护保养的重要性。特别是在分析判断故障形成的原因中，要学会从人、机、环境等多角度进行信息收集，抓住形成故障的主要因素，及时识别失误链的形成，并采取有效的手段切断失误链的某些环节，避免事态扩大化。希望为广大机舱工作者提供一定的借鉴和参考。

[1]陈宏.柴油机“烧瓦”故障的原因和处理[J].内燃机与配件，2012，11(3):31，37.

[2]满一新.轮机维护与修理[M].大连:大连海事大学出版社，2000.

[3]王维信.某型柴油机曲轴强度校核与监测分析[J].中国修船，2012，25(4):15－17.

[4]黄连忠.机舱资源管理[M].大连:大连海事大学出版社，2012.