精品文檔-下載后可編輯華發(fā)輪主機(jī)缸頭螺栓斷裂的原因分析與改進(jìn)方法一、概述

華發(fā)輪是一艘多用途三用船,具有動(dòng)力定位(DP系統(tǒng))、二級(jí)消防等特殊功能。1982年由挪威建造,其主機(jī)配置為四臺(tái)德國(guó)MAK制造的8M453AK型中速機(jī),單臺(tái)功率2400千瓦,8缸600轉(zhuǎn)/分,缸徑320MM沖程420MM。設(shè)計(jì)全負(fù)荷油耗203G/KWH,臺(tái)架試車(chē)最大爆壓127BAR。該船自我司購(gòu)入后在南海油田等區(qū)域創(chuàng)下了優(yōu)質(zhì)服務(wù)的聲譽(yù),在數(shù)次重大工程作業(yè)服務(wù)中,體現(xiàn)了它良好的操縱性能和各項(xiàng)特殊功能的價(jià)值。

然而在日常使用中,其主機(jī)的缸頭螺栓曾發(fā)生多起斷裂故障,特別是在大負(fù)載作業(yè)后尤為突出。查閱輪機(jī)日志記載顯示,該船在購(gòu)入之前就已發(fā)生多起缸頭螺栓斷裂故障。早期該船管理人員也已經(jīng)向主機(jī)制造廠家發(fā)去咨詢(xún)函件,廠商對(duì)故障也進(jìn)行了原因分析并提供了相應(yīng)的維護(hù)修理指導(dǎo)說(shuō)明文件。MAK制造商把故障原因分析為,由于主機(jī)冷卻水從缸套與機(jī)架之間的床墊密封處泄漏,至缸頭螺栓孔內(nèi)存積,水分受熱蒸發(fā)而冷卻水中添加的防護(hù)劑含有各種鹽分、化學(xué)劑等濃度增加,加上外部混入的油分、雜物在較高溫度時(shí)的共同作用侵蝕金屬、腐蝕金屬,長(zhǎng)期積累,影響了螺栓的強(qiáng)度,造成使用中發(fā)生斷裂。他推薦了用硅膠密封螺栓孔的安裝方法。然而實(shí)際使用中缸頭螺栓仍經(jīng)常發(fā)生斷裂,其中也包括完全無(wú)腐蝕發(fā)生的螺栓莫名斷裂。

觀察螺栓的斷裂,其部位基本相同,為螺栓螺桿底部與螺牙交界的圓弧處,斷裂面較為光滑平整。

二、原因分析

查閱各類(lèi)理論書(shū)籍和柴油機(jī)故障報(bào)告,幾乎無(wú)任何關(guān)于缸頭螺栓斷裂的記載及分析,可以說(shuō)缸頭螺栓的頻繁斷裂這一故障十分罕見(jiàn),其原因也十分復(fù)雜,為多種因素的共同作用所至。

1.受力分析:

缸頭螺栓是氣缸頭、氣缸套與機(jī)架的緊固連接件,它必須保證氣體在燃燒腔內(nèi)燃燒產(chǎn)生最大爆壓時(shí),缸頭與氣缸套仍能緊密相壓。因此,缸頭螺栓安裝時(shí),就應(yīng)保證缸頭螺帽上緊至一定的角度,給予螺栓一定的預(yù)緊力,使螺栓承受一定數(shù)值的拉伸力,這一拉伸力應(yīng)保證大于燃燒腔內(nèi)在最大爆壓時(shí)氣體所產(chǎn)生的頂升反作用力,并保證留有一定的安全系數(shù),這樣機(jī)器無(wú)論在工作或不工作時(shí)缸頭螺栓始終只受一個(gè)預(yù)緊力所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力作用。這個(gè)拉伸應(yīng)力過(guò)大則破壞金屬而產(chǎn)生彈性變形,使之拉長(zhǎng)變形直至直接拉斷;拉伸應(yīng)力過(guò)小,不足以抵消最大爆壓的反作用力,則使螺栓隨著氣體壓力的交變作用使之承受交變的高頻沖擊應(yīng)力,極易加劇金屬的疲勞。

從缸頭所受的熱負(fù)荷分析,工作時(shí),氣缸頭底面承受高溫膨脹,而頂面為冷卻面收縮,形成一個(gè)上拱趨勢(shì),而氣缸爆炸壓力的作用,使底部受到進(jìn)一步的彎曲應(yīng)力,該彎曲應(yīng)力存在除部分為金屬自然變形所吸收,其余傳到缸頭螺栓上,使之承受交變的彎曲應(yīng)力。

在缸頭螺栓安裝時(shí),由于該缸頭螺栓為細(xì)長(zhǎng)形螺栓,其長(zhǎng)度為480mm,直徑為25mm,用氣動(dòng)沖擊扳手轉(zhuǎn)螺帽角度上緊,不可避免使螺栓產(chǎn)生一定的繞度,產(chǎn)生了附加剪切應(yīng)力。在現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí),因結(jié)構(gòu)的限制,前有啟動(dòng)空氣管,后有進(jìn)、排氣管,使缸頭放置時(shí)達(dá)不到理想的自然位置,這樣就使螺栓與螺孔做不到完全同心,進(jìn)一步產(chǎn)生扭曲變形。

因此,各種應(yīng)力的共同作用使螺栓的金屬產(chǎn)生疲勞,這是誘發(fā)螺栓斷裂的首要因素。

2.設(shè)計(jì)分析:

主機(jī)的缸頭螺栓屬于高強(qiáng)度螺栓,所處部位非常重要,一旦發(fā)生斷裂,就有可能使燃燒無(wú)法完全密封,造成高壓、高溫燃?xì)廛f出機(jī)器釀成險(xiǎn)情。并有可能在一根螺栓斷裂后,其他螺栓無(wú)法承受分擔(dān)的沖擊應(yīng)力而依次斷裂,造成不可設(shè)想的后果。缸頭螺栓直接承受著高壓燃?xì)庵芷诮蛔兊臎_擊載荷,其尺寸又受到其他結(jié)構(gòu)的限制,因此必須在材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝等方面采取專(zhuān)門(mén)的措施,以提高其抗疲勞強(qiáng)度。

與其他船舶主機(jī)的缸頭螺栓相比較,若以最高爆發(fā)壓力相應(yīng)的負(fù)荷作為螺栓的總工作負(fù)荷,分至缸頭螺栓的截面積上,本機(jī)普遍高出它機(jī)20%~30%。即若螺栓的材質(zhì)等基本相同的話,其螺栓的設(shè)計(jì)余量則明顯小于其他類(lèi)型的主機(jī)缸頭螺栓。主機(jī)制造廠家對(duì)此亦承認(rèn)不諱。

而每次發(fā)生斷裂的部位皆為螺桿與螺紋的交界圓弧處,亦說(shuō)明該處的應(yīng)力較為集中。過(guò)渡圓弧在設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周,沒(méi)有采取特別的措施加以彌補(bǔ)。缸頭螺栓作為強(qiáng)力螺栓,制成細(xì)長(zhǎng)形以提高其柔度,降低其所承受的載荷幅度,桿身直徑一般為螺紋中徑的0.8倍,過(guò)細(xì)時(shí)將使其應(yīng)力過(guò)高造成斷裂,因此設(shè)計(jì)上的不足是螺栓容易斷裂的根本內(nèi)因。

3.冷卻水泄漏的影響

在使用中,本主機(jī)(據(jù)了解,其他類(lèi)似的MAK中速機(jī)亦同)時(shí)常發(fā)生缸套與機(jī)架水封墊處漏水。主機(jī)冷卻水中加有含亞硝酸鹽等多種化學(xué)成分的水質(zhì)處理劑,漏出的冷卻水在缸頭螺栓的螺孔等低凹處沉積,隨著水分的蒸發(fā)使其濃度增大,附近的高溫使各類(lèi)化學(xué)劑對(duì)金屬的腐蝕作用加劇。

從結(jié)構(gòu)上看,造成冷卻水的漏泄有其設(shè)計(jì)不妥之處,本主機(jī)為筒形活塞中速機(jī),由均勻分布的八根長(zhǎng)480mm、￠25mm的合金鋼螺栓把缸頭、缸套與機(jī)架相固定。主機(jī)缸頭與缸套之間的燃燒腔密封為鍍銅鐵令,而缸套與機(jī)架間冷卻水密封墊為鋼質(zhì)令,原始備件為兩邊平面皆有數(shù)條迷宮式凸緣的1.5mm厚合金鋼令,而經(jīng)過(guò)一次解體檢修,為保證密封通過(guò)研磨處理來(lái)磨平機(jī)架上的壓痕,鋼套則進(jìn)廠凸肩部位車(chē)削至適配厚一檔密封墊(廠家只配置了2.5mm、3.5mm、4.5mm三種平面式鋼令做備件,這樣就意味著經(jīng)過(guò)三次吊缸保養(yǎng)后,該缸套作報(bào)廢處理)。實(shí)際工作中這樣的處理很難保證水腔的密封。

這樣缸頭螺栓長(zhǎng)期處于化學(xué)劑的腐蝕作用,使其表面銹蝕及苛性脆化,極快地降低了螺栓的抗疲勞強(qiáng)度,這是螺栓斷裂的誘發(fā)外因。

4.安裝方式分析:

在實(shí)際安裝時(shí),由于受附屬部件的影響,缸頭搖臂端有起動(dòng)空氣等管系,排氣端有排煙管、進(jìn)氣管等限制。為了防止附件螺孔錯(cuò)位,在上緊缸頭螺栓前兩端附件皆已對(duì)入。這樣勢(shì)必造成缸頭不能作為一自由體坐落在缸套機(jī)架上。而廠家推薦的上緊方法是:先以50NM均勻上緊,然后分批次上緊至60°角、180°角、250°角。可以想象,僅以50NM的扭距是不能使缸頭做到平整,以此為基準(zhǔn)所畫(huà)的60°、180°、250°位置線亦不準(zhǔn)確;在實(shí)際安裝時(shí)發(fā)現(xiàn)一些螺栓非常輕松就上緊至250°,而一些螺栓則異常困難,以角度位置上看,有的相差40°~50°。這樣對(duì)同一缸頭上的八根螺栓造成其預(yù)緊力的不同,則在實(shí)際使用中,承受的氣體爆壓所分擔(dān)的負(fù)荷亦不同,有的差異會(huì)十分明顯,造成個(gè)別螺栓承受了太大的沖擊載荷,加速了其疲勞損傷造成斷裂。太大的預(yù)緊力本身會(huì)造成金屬的過(guò)度拉伸應(yīng)力造成損傷;而預(yù)緊力太低,如介于氣體爆炸壓力,則螺栓會(huì)受交變的拉伸、壓縮應(yīng)力,也極易造成金屬快速疲勞。

因此缸頭螺栓預(yù)緊力的過(guò)大、過(guò)小或各螺栓的預(yù)緊力不均,都可能降低它的工作可靠性,降低它的抗疲勞強(qiáng)度能力,造成螺栓的斷裂。這是一個(gè)最有可能也是最重要的能誘發(fā)缸頭螺栓斷裂的外因。

三、改進(jìn)措施

1.缸頭螺栓主要承受著交變的燃?xì)獗▔毫?因此平衡各缸的負(fù)荷,使主機(jī)在全負(fù)荷時(shí)各缸的最大爆壓基本平衡。防止由于某缸爆壓過(guò)大使該缸的螺栓承受超負(fù)載的應(yīng)力作用而造成疲勞。在日常管理中這一點(diǎn)尤為重要,這就要求我們不間斷地觀察測(cè)量各缸的燃燒狀況。從油泵的定時(shí),供油量入手調(diào)整好高壓油泵的性能,定期泵壓檢查油頭,以保證燃油的霧化質(zhì)量,新鮮空氣的進(jìn)氣質(zhì)量,使燃燒平穩(wěn)、迅速、完全、高質(zhì)量,從而保證各缸爆壓、排溫的均勻平衡。這樣就保證了各缸螺栓的負(fù)載均勻性。

2.雖然螺栓的直徑尺寸已隨機(jī)器的成型而無(wú)法改變,但亦可從材料結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)。如可選擇較高強(qiáng)度極限和屈服極限的材料,像40Cr、35CrMo、40CrMo、40MnB等材質(zhì)。雖然合金鋼的屈服極限比碳素鋼高1.5~2倍,但它們對(duì)應(yīng)力集中較為敏感。因此在采用合金鋼時(shí),必須采取各種降低應(yīng)力集中的相應(yīng)措施。如為減小螺桿桿身與螺牙過(guò)度處的應(yīng)力集中,強(qiáng)力螺栓一般采用以雙圓臺(tái)級(jí)過(guò)渡。螺栓的載荷在連接螺紋上的分布不均勻,在最初幾牙較大而易于斷裂,可將她們做成有7°~10°的錐角以減小它們的接觸面積,并與桿身自然均勻過(guò)渡,使該區(qū)域的載荷更加均勻。

另外的工藝如采用細(xì)牙螺紋及用滾壓加工可提高螺紋的強(qiáng)度,桿身拋光也可以提高其疲勞強(qiáng)度。

3.雖然MAK廠家推薦了以硅膠密封螺栓孔的方法,但其方法僅是治標(biāo)不治本,更何況實(shí)際處理時(shí)也很難做到完全有效的密封。真正有效的解決螺栓表面被冷卻水中的化學(xué)劑腐蝕的問(wèn)題,則須從根本上著手,解決缸套水封的漏水問(wèn)題。該問(wèn)題又與缸頭螺栓被拉伸斷裂互為因果關(guān)系,因螺栓的疲勞拉伸和斷裂造成壓力不平均而漏水,漏水又造成螺栓的腐蝕,影響其疲勞強(qiáng)度。而造成缸套漏水的根本原因在于其床墊問(wèn)題。第一次吊缸套修理后更換的缸套密封墊為平面型鋼質(zhì)令,與初始備件相比少了迷宮式凸緣;該令的硬度較大,而修理時(shí)機(jī)架的現(xiàn)場(chǎng)研磨,很難達(dá)到其適配要求。而與其相對(duì)的缸頭與缸套的爆燒室密封令為鍍銅鐵令,這樣在安裝時(shí),該鋼質(zhì)令無(wú)法達(dá)到有效的壓縮起到完全密封作用,造成使用中泄漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

通過(guò)對(duì)床墊的作用與受力分析后,我們大膽采用了以自己車(chē)制的銅質(zhì)令來(lái)做試驗(yàn)替代該鋼質(zhì)令,取得了良好的效果,然后進(jìn)一步推廣,整機(jī)更換為銅質(zhì)令。從而安全有效地解決了冷卻水的泄漏問(wèn)題,杜絕了因腐蝕疲勞而造成螺栓的損傷斷裂。

4.從安裝時(shí)的不均勻現(xiàn)象可以看出,由于初始基準(zhǔn)值的不準(zhǔn)確造成最終同一缸頭上八根螺栓的預(yù)緊力相差很大,從而造成各個(gè)螺栓在主機(jī)運(yùn)行時(shí)承受了不同的拉伸應(yīng)力,而造成個(gè)別螺栓的疲勞損傷,最終發(fā)生斷裂。為避免這一現(xiàn)象,最可靠的方法是計(jì)算出最終上緊至250°時(shí)的最大扭力值,全部改用扭力扳手均勻上緊至這一數(shù)值。然而這個(gè)扭力值很大,無(wú)法用常用扭力扳手完成。而MAK廠家也沒(méi)能提供專(zhuān)用的放大型扭力扳手工具。

我們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還是找到了解決這一問(wèn)