故障檢修與技術(shù)維護(hù)

凸輪軸、活塞和氣門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)動機里的一個部件，也是柴油發(fā)電機組配氣結(jié)構(gòu)中的重要零部件，它的作用是定時開啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)、排氣門，使新鮮的可燃混合氣或空氣得以及時進(jìn)入氣缸，廢氣得以及時從氣缸排出。因此，在設(shè)計中對配氣機構(gòu)零件在強度和支撐方面的要求會很高，特種鑄鐵是它的材質(zhì)，偶爾也采用鍛件，所以在發(fā)動機中配氣機構(gòu)占據(jù)著很重要的地位。但由于配氣機構(gòu)運轉(zhuǎn)時需要承受著交變荷載，長時間的工作會產(chǎn)生疲勞裂紋，從而造成零件異常受力疲勞斷裂。康明斯公司在本文主要針對凸輪軸、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(yīng)的解決辦法，以減少康明斯用戶損失，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(zhuǎn)中突然產(chǎn)生很大的敲擊聲，排氣管冒出一陣黑煙，應(yīng)立即熄火。搖轉(zhuǎn)柴油發(fā)電機曲軸能轉(zhuǎn)動，但無壓縮，經(jīng)檢查為活塞斷裂。 

1、活塞斷裂的原因

（1）柴油發(fā)電機溫度過高

      冷卻系統(tǒng)工作不良，有冷卻水滲漏現(xiàn)象而仍然運行發(fā)動機，造成高溫狀態(tài)下，缸套與活塞咬死，導(dǎo)致活塞斷裂。潤滑系統(tǒng)工作不良，機油未及時更換，或更換劣質(zhì)機油、更換不合標(biāo)號機油，或發(fā)動機機油不足，導(dǎo)致摩擦、磨損過度，溫度也隨之升高，缸套與活塞咬死，導(dǎo)致活塞斷裂。柴油發(fā)電機長期超負(fù)荷工作，發(fā)動機高速大負(fù)荷運行致溫度過高、磨損嚴(yán)重，長此下去，易導(dǎo)致活塞斷裂。

（2）人工裝配的原因

      如活塞與汽缸間隙過小，活塞銷與連桿小頭襯套、活塞銷座孔配合過緊，連桿（瓦）機構(gòu)松動；安裝活塞銷時活塞未經(jīng)加熱而猛敲猛打，導(dǎo)致活塞嚴(yán)重變形或產(chǎn)生裂紋。

（3）配合度過大

      活塞環(huán)開口間隙較小（間隙位置如圖1所示）、活塞環(huán)膠結(jié)或斷裂會導(dǎo)致活塞環(huán)不能與缸壁緊密貼合，活塞頂?shù)臒崃坎荒芗皶r傳走，同時還會導(dǎo)致高溫氣體下竄，結(jié)果使活塞頂及活塞環(huán)槽部位因過熱而燒蝕。

（4）撞擊現(xiàn)象

      進(jìn)、排氣門與活塞相撞，或活塞銷與活塞銷座孔磨損嚴(yán)重，間隙過大，有撞擊現(xiàn)象，導(dǎo)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、微裂紋會成為疲勞源而導(dǎo)致疲勞損壞。在發(fā)動機工作時，活塞徑向受到氣缸筒的作用力，連桿體在往復(fù)運動中，通過連桿小頭、活塞銷對活塞形成作用力。如圖2所示，F(xiàn)是氣缸筒對活塞的作用力，F(xiàn)′是活塞銷對活塞的作用力，F(xiàn)-F與F′-F′形成2個力偶，且方向相反。當(dāng)有疲勞損壞時，這2個力偶致使活塞從徑向橫截面的應(yīng)力最大處容易斷裂。

 

圖1  柴油機活塞環(huán)開口間隙示意圖

圖2  柴油機活塞受力工作過程

2、活塞斷裂的檢修與預(yù)防

（1）連桿彎曲檢修

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

（2）配合間隙過大檢修

      檢查活塞銷與連桿小頭襯套、活塞銷座孔配合是否磨損過大，如圖4所示。在冷態(tài)時，活塞銷與活塞銷座孔有相對轉(zhuǎn)動時，應(yīng)更換活塞。在更換連桿小頭襯套時，連桿小頭襯套壓入連桿襯套孔以后，其內(nèi)徑需用專用鉸刀鉸削，若無專用鉸刀，可用三角刮刀慢慢刮削，一邊刮，一邊用活塞銷試配，直至配合良好。用專用鉸刀手工鉸削連桿小頭襯套時，把鉸刀夾在鉗臺上。鉸削時，要注意連桿軸線應(yīng)與鉸刀軸線相垂直，慢慢地邊轉(zhuǎn)動連桿，邊向下推進(jìn)鉸削。每鉸一刀以后必須將連桿襯套內(nèi)切屑擦凈，用活塞銷與連桿小頭襯套試配，鉸好后應(yīng)保證配合間隙在0010～0046 mm。檢查活塞銷配合的松緊度。將活塞銷事先插入連桿襯套內(nèi)約20 mm左右，然后用大姆指推動活塞銷，若活塞銷能依靠大姆指的力量緩緩?fù)七M(jìn)連桿襯套，說明間隙合適；若大姆指剛一接觸活塞銷，活塞銷便從連桿襯套內(nèi)一穿而過，說明間隙過大；若依靠大姆指的力量推不動活塞銷，說明間隙不夠，還需要適當(dāng)鉸削。

（3）溫度過高的檢修

      若由于柴油發(fā)電機過熱而引起活塞斷裂，則應(yīng)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，有無漏水漏油的地方，柴油發(fā)電機運行是否長期超負(fù)荷的習(xí)慣，找到故障后及時排除。

（4）撞擊現(xiàn)象檢修

      若活塞頂部有被氣門撞擊的痕跡。應(yīng)檢查氣門下沉量是否過小、氣門間隙是否過小。

 

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、氣門搖臂斷裂的原因和檢修方法

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

1、氣門搖臂折斷的原因

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

（2）氣門間隙或減壓機構(gòu)間隙調(diào)整過小，致使氣門碰活塞頂；更換新氣門座圈，由于座圈過高，引起氣門頭部沉入汽缸蓋平面深度不夠，致使氣門頭部與活塞頂部相撞；氣門桿卡死在氣門導(dǎo)管內(nèi)導(dǎo)致?lián)u臂折斷；配氣正時齒輪嚙合位置不對，或齒輪鍵槽磨損松動，致使柴油發(fā)電機配氣時間錯亂。

2、技術(shù)檢查步驟

      當(dāng)發(fā)現(xiàn)有某一搖臂折斷時或懷疑搖臂即將折斷時，應(yīng)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）用觀察法檢查搖臂和支架，裂紋會表現(xiàn)為明亮的實線；鑄件中的穴蝕會表現(xiàn)為一個小的圓形標(biāo)記。

      如果發(fā)現(xiàn)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、氣門搖臂斷裂故障的修復(fù)

（1）檢查氣門導(dǎo)管壓入深度

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

① 若凸出的高度過高，氣門到最大升程時，氣門彈簧上座或氣門鎖夾容易與氣門導(dǎo)管相撞，導(dǎo)致氣門搖臂斷裂（搖臂斷裂前實物如圖7所示，搖臂斷裂后實物如圖8所示），其后應(yīng)對損壞部件進(jìn)行更換。

② 若凸出的高度過低，氣門處于關(guān)閉狀態(tài)時，會導(dǎo)致氣門頭錐形面與導(dǎo)管相碰，使氣門關(guān)閉不嚴(yán)而漏氣。其后應(yīng)對其進(jìn)行調(diào)整。

③ 若不是由于氣門導(dǎo)管安裝過高，須拆下汽缸蓋，觀察有無外來物掉進(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）檢查氣門與活塞頂部是否相撞

      若確認(rèn)相撞，應(yīng)檢查氣門間隙或減壓機構(gòu)間隙是否過小，氣門頭部沉入汽缸蓋平面深度是否過淺（沉入深度進(jìn)氣門為150～195 mm，排氣門為0.90～1.25 mm）。若過淺，應(yīng)用氣門鉸刀鉸削。氣門座凡爾線過寬、有麻點或溝槽時也可以用此方法。鉸削步驟如下：

① 用45°鉸刀粗鉸。

② 檢查氣門座密封環(huán)帶的寬度（標(biāo)準(zhǔn)值為1.2～1.5 mm）。

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

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

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

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

 

圖7 氣門搖臂斷裂后碎片形狀

圖8  全新氣門搖臂實物圖

 

三、凸輪軸斷裂的原因和檢修方法

 

      凸輪軸常見的故障包括鍛煉，異常磨損和異響。出現(xiàn)異常磨損的癥狀都是異響和斷裂之前的癥狀。凸輪軸斷裂最常見的原因就是因為凸輪軸質(zhì)量差，磨損情況嚴(yán)重，液壓挺桿破裂和正時齒輪破裂，還有一個原因就是潤滑不良，導(dǎo)致凸輪軸滑動起來有障礙。下面就用康明斯一款發(fā)動機的凸輪軸來舉例分析出現(xiàn)斷裂的原因。康明斯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熱處理工藝而來的。硬度54～60HRC，3～7mm的硬化層深，凸輪軸推片必須達(dá)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)動機，要看油路暢通是否在正常工作，有沒有氣阻的現(xiàn)象。如果在供油正常的情況下，將氣門室蓋拆開，發(fā)現(xiàn)因為嚴(yán)重彎曲而導(dǎo)致氣門正時錯亂的頂桿，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。瓦的表面沒有存在燒損和脫落的現(xiàn)象，再將汽缸蓋拆開，里面有氣門沖擊塞頭的痕跡但不是很深，彎曲和損傷的現(xiàn)象在活塞連桿的檢查中也看不到，缸體倒立時，表面依然完整的凸輪軸并且可以在軸孔中活動自如，彎曲和不能轉(zhuǎn)動的現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)尺寸范圍內(nèi)。可以很順利的抽取觀察是否有磨損和彎曲，氣門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)動機的安裝一切都要按照大修程序和大修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來嚴(yán)格執(zhí)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(xiàn)是齒輪只有旋轉(zhuǎn)半圈，曲軸在拆卸的時候也會有損傷的情況。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(biāo)準(zhǔn)高度低0.4mm時，應(yīng)修磨凸輪，低1.0mm時，用堆焊法修復(fù)。凸輪起槽或有斑點要用油石修復(fù)。

（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，用磨削方法縮小尺寸修復(fù)，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

      使用外徑測量儀或內(nèi)徑測量儀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

      使用同心度測量儀或三坐標(biāo)測量機測量凸輪軸軸孔的同心度，確定其偏差量。

3、斷裂現(xiàn)象分析

（1）首先要考慮的問題是是否設(shè)計強度不夠而導(dǎo)致斷裂。如果一臺發(fā)動機連續(xù)工作數(shù)年，或者此型號的柴油機在別的汽車沒有發(fā)生斷裂情況，那就是此發(fā)動機的凸輪軸設(shè)計強度不夠不恰當(dāng)。

（2）拆開各部件的零件來看，在定式齒輪并沒有見到?jīng)_擊痕跡或異常磨損等情況，從而可以斷定沖擊附加應(yīng)力的是否存在。

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

（4）導(dǎo)致凸輪軸斷裂的還有一個原則是，凸輪軸在被氣門與活塞頭頭部逼住，致使凸輪軸的旋轉(zhuǎn)速度也有所減慢，雖然發(fā)動機已經(jīng)熄火，但是發(fā)動機的慣性致使凸輪軸還在不停的轉(zhuǎn)動，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(zhuǎn)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(yīng)該盡量減少凸輪軸的磨損程度才是最關(guān)鍵，凸輪軸在導(dǎo)致彎曲斷裂是在氣缸蓋軸承孔發(fā)生嚴(yán)重磨損的時候，就要跟換其凸輪軸，但如果不停的更換凸輪軸，不僅會使凸輪軸的壽命降低，對柴油發(fā)動機的影響也很不好。

（2）從凸輪軸的結(jié)構(gòu)上來分析，整體的扭桿軸是在旋轉(zhuǎn)和傳遞扭矩的情況下變成的，氣門在彎曲負(fù)荷工作情況下，凸輪軸應(yīng)該發(fā)揮好它的作用，要承受氣門彈簧施加的彎曲載荷，用分段的機構(gòu)來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(yīng)淬火，而未加工的毛坯面應(yīng)在軸頸，凸輪及支撐軸頸斷面部分，毛坯面上有脫碳現(xiàn)象在斷裂處表面，而脫碳層可以緩解疲勞斷裂處最為嚴(yán)重的地方。

（4）對凸輪軸的維護(hù)時間也要恰當(dāng)，應(yīng)定時的對發(fā)動機以及凸輪軸保養(yǎng)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候一定考慮好定位因素，不能產(chǎn)生松動或過緊的情況，要把齒輪敲打金曲軸齒輪的軸頸上。最后將發(fā)動機的一切材料都給組裝完畢，實驗發(fā)動機是否可以正常啟動，如果可以正常啟動那么發(fā)動機沒有問題。

 

圖9  凸輪和凸輪軸頸最大直徑的測量

柴油機凸輪軸孔內(nèi)徑的測量

 

總結(jié)：

     綜上所述，柴油發(fā)動機氣門機構(gòu)中的活塞、搖臂、凸輪軸斷裂產(chǎn)生故障原因應(yīng)為長期的轉(zhuǎn)動而產(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機構(gòu)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(jié)構(gòu)剛性，所以要防范這種情況的發(fā)生，就要在起步的時候就選擇性能較好的材料，經(jīng)常檢查氣門機構(gòu)的運轉(zhuǎn)情況，減少斷裂故障的發(fā)生。此外，柴油發(fā)電機工作時，除了會發(fā)生一些常見故障外，有時還會發(fā)生相當(dāng)嚴(yán)重的、少見的事故性損壞故障，給柴油發(fā)電機使用帶來重大損失，也威脅著操作者的人身安全。因此，了解這些故障產(chǎn)生的原因，使用中注意預(yù)防，對減少損失，保證作業(yè)安全意義重大。

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