故障檢修與技術(shù)維護

凸輪軸、活塞和氣門(mén)搖臂斷裂三例事故檢修方案

 

摘要：凸輪軸、活塞、搖臂是柴油發(fā)動(dòng)機里的一個(gè)部件，也是柴油發(fā)電機組配氣結構中的重要零部件，它的作用是定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)、排氣門(mén)，使新鮮的可燃混合氣或空氣得以及時(shí)進(jìn)入氣缸，廢氣得以及時(shí)從氣缸排出。因此，在設計中對配氣機構零件在強度和支撐方面的要求會(huì )很高，特種鑄鐵是它的材質(zhì)，偶爾也采用鍛件，所以在發(fā)動(dòng)機中配氣機構占據著(zhù)很重要的地位。但由于配氣機構運轉時(shí)需要承受著(zhù)交變荷載，長(cháng)時(shí)間的工作會(huì )產(chǎn)生疲勞裂紋，從而造成零件異常受力疲勞斷裂?？得魉构驹诒疚闹饕槍ν馆嗇S、活塞、搖臂斷裂故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并提出相應的解決辦法，以減少康明斯用戶(hù)損失，保證柴油發(fā)電機組以后作業(yè)的安全。

 

一、活塞斷裂的原因和檢修方法

      柴油發(fā)電機在運轉中突然產(chǎn)生很大的敲擊聲，排氣管冒出一陣黑煙，應立即熄火。搖轉柴油發(fā)電機曲軸能轉動(dòng)，但無(wú)壓縮，經(jīng)檢查為活塞斷裂。 

1、活塞斷裂的原因

（1）柴油發(fā)電機溫度過(guò)高

      冷卻系統工作不良，有冷卻水滲漏現象而仍然運行發(fā)動(dòng)機，造成高溫狀態(tài)下，缸套與活塞咬死，導致活塞斷裂。潤滑系統工作不良，機油未及時(shí)更換，或更換劣質(zhì)機油、更換不合標號機油，或發(fā)動(dòng)機機油不足，導致摩擦、磨損過(guò)度，溫度也隨之升高，缸套與活塞咬死，導致活塞斷裂。柴油發(fā)電機長(cháng)期超負荷工作，發(fā)動(dòng)機高速大負荷運行致溫度過(guò)高、磨損嚴重，長(cháng)此下去，易導致活塞斷裂。

（2）人工裝配的原因

      如活塞與汽缸間隙過(guò)小，活塞銷(xiāo)與連桿小頭襯套、活塞銷(xiāo)座孔配合過(guò)緊，連桿（瓦）機構松動(dòng)；安裝活塞銷(xiāo)時(shí)活塞未經(jīng)加熱而猛敲猛打，導致活塞嚴重變形或產(chǎn)生裂紋。

（3）配合度過(guò)大

      活塞環(huán)開(kāi)口間隙較?。ㄩg隙位置如圖1所示）、活塞環(huán)膠結或斷裂會(huì )導致活塞環(huán)不能與缸壁緊密貼合，活塞頂的熱量不能及時(shí)傳走，同時(shí)還會(huì )導致高溫氣體下竄，結果使活塞頂及活塞環(huán)槽部位因過(guò)熱而燒蝕。

（4）撞擊現象

      進(jìn)、排氣門(mén)與活塞相撞，或活塞銷(xiāo)與活塞銷(xiāo)座孔磨損嚴重，間隙過(guò)大，有撞擊現象，導致活塞斷裂，連桿彎曲、活塞與缸套產(chǎn)生偏磨。

（5）活塞質(zhì)量不合格

      活塞鑄造時(shí)存在氣孔、疏松、微裂紋、夾渣等缺陷，則在高溫高壓作用下，這些氣孔、疏松、微裂紋會(huì )成為疲勞源而導致疲勞損壞。在發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，活塞徑向受到氣缸筒的作用力，連桿體在往復運動(dòng)中，通過(guò)連桿小頭、活塞銷(xiāo)對活塞形成作用力。如圖2所示，F是氣缸筒對活塞的作用力，F′是活塞銷(xiāo)對活塞的作用力，F-F與F′-F′形成2個(gè)力偶，且方向相反。當有疲勞損壞時(shí)，這2個(gè)力偶致使活塞從徑向橫截面的應力最大處容易斷裂。

 

圖1  柴油機活塞環(huán)開(kāi)口間隙示意圖

圖2  柴油機活塞受力工作過(guò)程

2、活塞斷裂的檢修與預防

（1）連桿彎曲檢修

      更換活塞時(shí)，應檢查連桿是否彎曲，若連桿彎曲或扭曲，應予以校正（如圖3所示）。

（2）配合間隙過(guò)大檢修

      檢查活塞銷(xiāo)與連桿小頭襯套、活塞銷(xiāo)座孔配合是否磨損過(guò)大，如圖4所示。在冷態(tài)時(shí)，活塞銷(xiāo)與活塞銷(xiāo)座孔有相對轉動(dòng)時(shí)，應更換活塞。在更換連桿小頭襯套時(shí)，連桿小頭襯套壓入連桿襯套孔以后，其內徑需用專(zhuān)用鉸刀鉸削，若無(wú)專(zhuān)用鉸刀，可用三角刮刀慢慢刮削，一邊刮，一邊用活塞銷(xiāo)試配，直至配合良好。用專(zhuān)用鉸刀手工鉸削連桿小頭襯套時(shí)，把鉸刀夾在鉗臺上。鉸削時(shí)，要注意連桿軸線(xiàn)應與鉸刀軸線(xiàn)相垂直，慢慢地邊轉動(dòng)連桿，邊向下推進(jìn)鉸削。每鉸一刀以后必須將連桿襯套內切屑擦凈，用活塞銷(xiāo)與連桿小頭襯套試配，鉸好后應保證配合間隙在0010～0046 mm。檢查活塞銷(xiāo)配合的松緊度。將活塞銷(xiāo)事先插入連桿襯套內約20 mm左右，然后用大姆指推動(dòng)活塞銷(xiāo)，若活塞銷(xiāo)能依靠大姆指的力量緩緩推進(jìn)連桿襯套，說(shuō)明間隙合適；若大姆指剛一接觸活塞銷(xiāo)，活塞銷(xiāo)便從連桿襯套內一穿而過(guò)，說(shuō)明間隙過(guò)大；若依靠大姆指的力量推不動(dòng)活塞銷(xiāo)，說(shuō)明間隙不夠，還需要適當鉸削。

（3）溫度過(guò)高的檢修

      若由于柴油發(fā)電機過(guò)熱而引起活塞斷裂，則應找出原因，首先檢查冷卻水是否充足，潤滑油質(zhì)量是否合格，有無(wú)漏水漏油的地方，柴油發(fā)電機運行是否長(cháng)期超負荷的習慣，找到故障后及時(shí)排除。

（4）撞擊現象檢修

      若活塞頂部有被氣門(mén)撞擊的痕跡。應檢查氣門(mén)下沉量是否過(guò)小、氣門(mén)間隙是否過(guò)小。

 

圖3  柴油機連桿校正裝置示意圖

圖4  柴油機活塞與氣缸配合間隙檢查

二、氣門(mén)搖臂斷裂的原因和檢修方法

      氣門(mén)搖臂折斷時(shí)，汽缸蓋罩內發(fā)出“咔嚓”響聲，排氣管冒出白煙（進(jìn)氣門(mén)搖臂折斷），或不冒白煙（排氣門(mén)搖臂折斷），柴油發(fā)電機即自動(dòng)停機。

1、氣門(mén)搖臂折斷的原因

（1）氣門(mén)導管安裝深度不夠，彈簧上座及氣門(mén)鎖夾與氣門(mén)導管相碰；搖臂質(zhì)量不好；活塞碎裂后與氣門(mén)撞擊而頂壞搖臂；外來(lái)物掉進(jìn)汽缸；柴油發(fā)電機發(fā)生“飛車(chē)”事故等。

（2）氣門(mén)間隙或減壓機構間隙調整過(guò)小，致使氣門(mén)碰活塞頂；更換新氣門(mén)座圈，由于座圈過(guò)高，引起氣門(mén)頭部沉入汽缸蓋平面深度不夠，致使氣門(mén)頭部與活塞頂部相撞；氣門(mén)桿卡死在氣門(mén)導管內導致?lián)u臂折斷；配氣正時(shí)齒輪嚙合位置不對，或齒輪鍵槽磨損松動(dòng)，致使柴油發(fā)電機配氣時(shí)間錯亂。

2、技術(shù)檢查步驟

      當發(fā)現有某一搖臂折斷時(shí)或懷疑搖臂即將折斷時(shí)，應對其他搖臂也要做技術(shù)檢查，可使用裂紋檢查組件（零件號 3375432）檢查搖臂和軸支架有無(wú)裂紋或損壞。步驟如下：

（1）使用裂紋檢查滲透劑（零件號 3375435）涂搖臂和軸支架，如圖5所示。

（2）讓滲透劑干燥 15 分鐘，然后用干布去除過(guò)多的滲透劑，如圖6所示。

（3）使用裂紋檢查顯色劑（零件號 3375434）涂搖臂和軸支架。

（4）用觀(guān)察法檢查搖臂和支架，裂紋會(huì )表現為明亮的實(shí)線(xiàn)；鑄件中的穴蝕會(huì )表現為一個(gè)小的圓形標記。

      如果發(fā)現裂紋或穴蝕，必須更換該零件。

 

圖5  柴油機零件裂紋檢查滲透劑

圖6  柴油機搖臂裂紋技術(shù)檢測

 

3、氣門(mén)搖臂斷裂故障的修復

（1）檢查氣門(mén)導管壓入深度

      拆下汽缸蓋罩，首先檢查氣門(mén)導管壓入深度是否足夠，檢查氣門(mén)導管及氣門(mén)彈簧上座、氣門(mén)鎖夾有無(wú)因碰撞而產(chǎn)生的痕跡。柴油發(fā)電機氣門(mén)導管壓入汽缸蓋后，凸出高度（從氣門(mén)彈簧下座支承面測量）應為20 mm。

① 若凸出的高度過(guò)高，氣門(mén)到最大升程時(shí)，氣門(mén)彈簧上座或氣門(mén)鎖夾容易與氣門(mén)導管相撞，導致氣門(mén)搖臂斷裂（搖臂斷裂前實(shí)物如圖7所示，搖臂斷裂后實(shí)物如圖8所示），其后應對損壞部件進(jìn)行更換。

② 若凸出的高度過(guò)低，氣門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，會(huì )導致氣門(mén)頭錐形面與導管相碰，使氣門(mén)關(guān)閉不嚴而漏氣。其后應對其進(jìn)行調整。

③ 若不是由于氣門(mén)導管安裝過(guò)高，須拆下汽缸蓋，觀(guān)察有無(wú)外來(lái)物掉進(jìn)汽缸。若有異物進(jìn)入，其后進(jìn)行清理并再次檢查和驗證。

（2）檢查氣門(mén)與活塞頂部是否相撞

      若確認相撞，應檢查氣門(mén)間隙或減壓機構間隙是否過(guò)小，氣門(mén)頭部沉入汽缸蓋平面深度是否過(guò)淺（沉入深度進(jìn)氣門(mén)為150～195 mm，排氣門(mén)為0.90～1.25 mm）。若過(guò)淺，應用氣門(mén)鉸刀鉸削。氣門(mén)座凡爾線(xiàn)過(guò)寬、有麻點(diǎn)或溝槽時(shí)也可以用此方法。鉸削步驟如下：

① 用45°鉸刀粗鉸。

② 檢查氣門(mén)座密封環(huán)帶的寬度（標準值為1.2～1.5 mm）。

③ 如密封環(huán)帶太寬且偏上，須用15°鉸刀鉸削氣門(mén)座上口，縮小氣門(mén)密封環(huán)帶上方的寬度。

④ 如密封環(huán)帶太寬偏下，需用75°鉸刀鉸削氣門(mén)座下口，縮小氣門(mén)座密封環(huán)帶下方寬度。

⑤ 若氣門(mén)頭部沉入汽缸蓋平面深度過(guò)淺，可加大15°鉸刀鉸削量，將氣門(mén)座密封環(huán)帶位置降低。

⑥ 用45°鉸刀精鉸氣門(mén)座。用柴油或煤油注入進(jìn)、排氣道檢查氣門(mén)密封性。如有滲漏可用研磨砂研磨氣門(mén)座。

 

圖7 氣門(mén)搖臂斷裂后碎片形狀

圖8  全新氣門(mén)搖臂實(shí)物圖

 

三、凸輪軸斷裂的原因和檢修方法

 

      凸輪軸常見(jiàn)的故障包括鍛煉，異常磨損和異響。出現異常磨損的癥狀都是異響和斷裂之前的癥狀。凸輪軸斷裂最常見(jiàn)的原因就是因為凸輪軸質(zhì)量差，磨損情況嚴重，液壓挺桿破裂和正時(shí)齒輪破裂，還有一個(gè)原因就是潤滑不良，導致凸輪軸滑動(dòng)起來(lái)有障礙。下面就用康明斯一款發(fā)動(dòng)機的凸輪軸來(lái)舉例分析出現斷裂的原因?？得魉?/span>凸輪軸的是用特種鑄鐵共而成的，凸輪的表面和軸頸的表面溫度是通過(guò)熱處理工藝而來(lái)的。硬度54～60HRC，3～7mm的硬化層深，凸輪軸推片必須達到材料20鋼的技術(shù)要求，溫度表面要有52～63HRC，滲碳層深0.4～0.9mm。

1、故障原因

      首先要檢查的一項就是發(fā)動(dòng)機，要看油路暢通是否在正常工作，有沒(méi)有氣阻的現象。如果在供油正常的情況下，將氣門(mén)室蓋拆開(kāi)，發(fā)現因為嚴重彎曲而導致氣門(mén)正時(shí)錯亂的頂桿，大約有3～4根左右。其中凸輪軸已經(jīng)斷裂，斷裂的部位正好在凸輪軸安裝齒輪的根部。瓦的表面沒(méi)有存在燒損和脫落的現象，再將汽缸蓋拆開(kāi)，里面有氣門(mén)沖擊塞頭的痕跡但不是很深，彎曲和損傷的現象在活塞連桿的檢查中也看不到，缸體倒立時(shí)，表面依然完整的凸輪軸并且可以在軸孔中活動(dòng)自如，彎曲和不能轉動(dòng)的現象根本不存在，每只都能順利抽出。大、小瓦的配合間隙偏大主要因為大、小瓦的接觸面比較黑。連桿軸頸和主軸頸都在標準尺寸范圍內?？梢院茼樌某槿∮^(guān)察是否有磨損和彎曲，氣門(mén)挺柱頭部圓弧面保持的也很保證。

2、磨損程度檢查

      柴油發(fā)動(dòng)機的安裝一切都要按照大修程序和大修技術(shù)標準來(lái)嚴格執行，對凸輪軸和曲軸的要求就高。如果齒輪軸頸已經(jīng)被磨損，那么它的直接表現是齒輪只有旋轉半圈，曲軸在拆卸的時(shí)候也會(huì )有損傷的情況。所以要進(jìn)行凸輪軸孔和凸輪磨損檢查：

（1）凸輪磨損量

      如圖9所示。用外徑千分卡尺檢查凸輪，凸輪高度比標準高度低0.4mm時(shí)，應修磨凸輪，低1.0mm時(shí)，用堆焊法修復。凸輪起槽或有斑點(diǎn)要用油石修復。

（2）軸頸的圓度和圓柱度檢查

      用外徑千分卡尺測量各道軸頸的圓度和圓柱度。圓度和圓柱度偏差大于0.015mm時(shí)，用磨削方法縮小尺寸修復，每級級差-0.20mm，一般可加工至-1.0mm。

（3）凸輪軸軸孔的直徑檢查

      使用外徑測量?jì)x或內徑測量?jì)x測量凸輪軸軸孔的直徑，如圖10所示。公式為：D=軸頸直徑+軸頸與軸承配合間隙+軸承與座孔的配合盈量。

（4）凸輪軸軸孔的同心度

      使用同心度測量?jì)x或三坐標測量機測量凸輪軸軸孔的同心度，確定其偏差量。

3、斷裂現象分析

（1）首先要考慮的問(wèn)題是是否設計強度不夠而導致斷裂。如果一臺發(fā)動(dòng)機連續工作數年，或者此型號的柴油機在別的汽車(chē)沒(méi)有發(fā)生斷裂情況，那就是此發(fā)動(dòng)機的凸輪軸設計強度不夠不恰當。

（2）拆開(kāi)各部件的零件來(lái)看，在定式齒輪并沒(méi)有見(jiàn)到?jīng)_擊痕跡或異常磨損等情況，從而可以斷定沖擊附加應力的是否存在。

（3）凸輪軸承受的磨損量較大也會(huì )導致疲勞彎曲。垂直軸線(xiàn)是導致凸輪軸彎曲疲勞的裂紋。

（4）導致凸輪軸斷裂的還有一個(gè)原則是，凸輪軸在被氣門(mén)與活塞頭頭部逼住，致使凸輪軸的旋轉速度也有所減慢，雖然發(fā)動(dòng)機已經(jīng)熄火，但是發(fā)動(dòng)機的慣性致使凸輪軸還在不停的轉動(dòng)，較大的扭矩情況在就齒輪在凸輪軸上依然不斷的高速運轉的情況下產(chǎn)生了。從而就產(chǎn)生了凸輪軸斷裂的情況。

4、故障處理對策

（1）應該盡量減少凸輪軸的磨損程度才是最關(guān)鍵，凸輪軸在導致彎曲斷裂是在氣缸蓋軸承孔發(fā)生嚴重磨損的時(shí)候，就要跟換其凸輪軸，但如果不停的更換凸輪軸，不僅會(huì )使凸輪軸的壽命降低，對柴油發(fā)動(dòng)機的影響也很不好。

（2）從凸輪軸的結構上來(lái)分析，整體的扭桿軸是在旋轉和傳遞扭矩的情況下變成的，氣門(mén)在彎曲負荷工作情況下，凸輪軸應該發(fā)揮好它的作用，要承受氣門(mén)彈簧施加的彎曲載荷，用分段的機構來(lái)保證凸輪軸的彎曲剛性，將主軸頸分成不同的段位。

（3）如果想使凸輪軸的疲勞斷裂情況有所降低，選用45號剛為凸輪軸的材料，前提是要考慮凸輪軸的實(shí)際情況和工作條件。在凸輪及支承軸頸外圓面機部分加工感應淬火，而未加工的毛坯面應在軸頸，凸輪及支撐軸頸斷面部分，毛坯面上有脫碳現象在斷裂處表面，而脫碳層可以緩解疲勞斷裂處最為嚴重的地方。

（4）對凸輪軸的維護時(shí)間也要恰當，應定時(shí)的對發(fā)動(dòng)機以及凸輪軸保養維修，使其工作性能的作用發(fā)揮的更好。

       新的曲軸在安裝的時(shí)候一定考慮好定位因素，不能產(chǎn)生松動(dòng)或過(guò)緊的情況，要把齒輪敲打金曲軸齒輪的軸頸上。最后將發(fā)動(dòng)機的一切材料都給組裝完畢，實(shí)驗發(fā)動(dòng)機是否可以正常啟動(dòng)，如果可以正常啟動(dòng)那么發(fā)動(dòng)機沒(méi)有問(wèn)題。

 

圖9  凸輪和凸輪軸頸最大直徑的測量

柴油機凸輪軸孔內徑的測量

 

總結：

     綜上所述，柴油發(fā)動(dòng)機氣門(mén)機構中的活塞、搖臂、凸輪軸斷裂產(chǎn)生故障原因應為長(cháng)期的轉動(dòng)而產(chǎn)生的斷裂，還有異常的摩擦磨損也不斷程度的損害到了氣門(mén)機構的工作性能，通常都是因為承受了異常的附加彎矩，磨損破壞了原有的結構剛性，所以要防范這種情況的發(fā)生，就要在起步的時(shí)候就選擇性能較好的材料，經(jīng)常檢查氣門(mén)機構的運轉情況，減少斷裂故障的發(fā)生。此外，柴油發(fā)電機工作時(shí)，除了會(huì )發(fā)生一些常見(jiàn)故障外，有時(shí)還會(huì )發(fā)生相當嚴重的、少見(jiàn)的事故性損壞故障，給柴油發(fā)電機使用帶來(lái)重大損失，也威脅著(zhù)操作者的人身安全。因此，了解這些故障產(chǎn)生的原因，使用中注意預防，對減少損失，保證作業(yè)安全意義重大。

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