0引言

某輪裝備三臺MAN L21/31 型發(fā)電柴油機，額定功率1320KW、額定轉(zhuǎn)速900rpm、缸徑210mm、行程310mm、氣缸從飛輪端開始編號1～ 6。高壓油泵凸輪軸安裝在柴油機正面，進排氣凸輪軸安裝在背面。

船用中速柴油機凸輪軸作為配氣機構(gòu)核心部件，其可靠性直接影響整機性能。統(tǒng)計顯示，凸輪軸故障占柴油機機械故障的18%-25%，其中異常磨損占比超60%（IMO,2022）。本文以某輪MAN L21/31 型發(fā)電柴油機凸輪軸異常磨損案例為切入點，揭示非典型磨損機理及預(yù)防措施，共同仁參考。

1 故障現(xiàn)象

該輪從湛江港卸貨結(jié)束后開往阿曼裝貨，航行途中輪機員觀察到3號副機排煙溫度異常，停機檢查進排氣閥間隙異常，檢查柴油機進排氣凸輪軸時，發(fā)現(xiàn)1缸凸輪軸異常磨損，進一步檢查發(fā)現(xiàn)同時磨損故障的還有4缸、5缸和6缸。4個缸的進排氣凸輪和滾輪都有不同程度的磨損，且偏磨嚴(yán)重，并伴有黏著拉傷跡象（見圖1）。檢查未發(fā)現(xiàn)搖臂頂桿變形，盤車時進排氣搖臂及頂桿滾輪未發(fā)現(xiàn)有明顯卡阻。

圖1 磨損的凸輪和滾輪

2 故障排查

凸輪軸異常磨損的原因主要有三點：潤滑不良，凸輪軸跟滾輪表面有干磨的現(xiàn)象；凸輪軸和滾輪質(zhì)量問題，一般表現(xiàn)為凸輪軸表面會先出現(xiàn)小塊的皸裂然后脫落；滾輪和定位塊之間間隙調(diào)整問題，通常表現(xiàn)為滾輪跟凸輪軸有偏磨的現(xiàn)象。

（1）檢查柴油機潤滑系統(tǒng)過往五次的滑油化驗報告（圖2）并將其制成曲線圖以便于分析（圖3）。

圖2 滑油化驗檢測報告

圖3 滑油化驗報告曲線圖

通過觀察圖3的滑油檢測報告曲線圖不難發(fā)現(xiàn)第一、二、四、五次的滑油樣品中，Nickel、Iron的含量明顯高于第三次且處于較高水平，第三次的檢測結(jié)果顯示滑油樣品中的各種金屬含量都處于較低水平。在查閱副機工單記錄后發(fā)現(xiàn)，上任主管輪機員在收到第二次滑油化驗報告后對柴油機系統(tǒng)油進行了更換。第四次的化驗結(jié)果顯示Nickel、Iron的含量又迅速上升，此時副機剛大修完不久，但未查詢到大修后的例行檢查記錄，僅滑油分油機對副機系統(tǒng)油進行不間斷分離凈化。該型柴油機進排氣凸輪和滾輪的潤滑是通過搖臂上的滑油泄放口流出的滑油完成，啟動柴油機預(yù)潤滑油泵，盤車檢查各缸搖臂滑油通道無堵塞且滑油流量正常。

（2）從加工制造環(huán)節(jié)和凸輪軸結(jié)構(gòu)形式的選用進行分析知道，凸輪（圖4）應(yīng)該保證具有很高的輪廓精準(zhǔn)度、相位角度、良好的耐磨性、工作表面較小的表面粗糙度以及足夠的剛度和抗沖擊能力。

1-基圓尺寸2-凸輪軸總高度3-凸輪軸凸輪升程

圖4 凸輪軸剖視圖

如果凸輪軸的材料存在質(zhì)量缺陷，例如凸輪軸與滾輪硬度超出設(shè)計值、氮化層厚度不足或過厚、殘余奧氏體含量超標(biāo)等；或者制造工藝缺陷，例如過渡曲線粗糙度超標(biāo)、表面滲碳或氮化不均勻、加工硬化層分布不均等；再或者涂層硬度梯度不合理、凸輪工作面粗糙度過大、涂層厚度不均等造成的表面處理缺陷，都會造成凸輪軸和滾輪的異常磨損。

（3）檢查與凸輪軸相關(guān)的隨動部件，發(fā)現(xiàn)進排氣系統(tǒng)中搖臂、頂桿、氣門橋和氣閥動作正常無卡組，燃油噴射系統(tǒng)工作正常。檢查滾輪時發(fā)現(xiàn)盤車到一定角度時，部分氣缸滾輪挺柱和定位塊的間隙明顯變小甚至直接接觸，進一步用塞尺檢查發(fā)現(xiàn)凸輪軸和滾輪有磨損的氣缸，其滾輪挺柱和定位塊的間隙均不符合說明書要求的0.1mm。結(jié)合凸輪軸異常磨損形貌和滑油化驗報告，到此可以確定導(dǎo)致此次凸輪軸和滾輪異常磨損的原因主要是滾輪挺柱和定位塊的間隙不符合要求。

3 故障排除

由于上述凸輪軸部件的異常損傷較為嚴(yán)重，凸輪和滾輪接觸面已出現(xiàn)鍍層甚至基體大面積脫落和塑性變形的情況，測量凸輪的高度尺寸和升程尺寸遠低于標(biāo)準(zhǔn)值，修復(fù)意義不大，決定對該副機損壞的凸輪軸總成和滾輪進行更換；檢查并修復(fù)凸輪軸各隨動部件受損情況；由于磨損的金屬屑已進入副機滑油系統(tǒng)，故更換副機滑油并徹底清潔滑油油路和油底殼。

由于該型副機說明書里對凸輪軸和滾輪的安裝調(diào)整說明很籠統(tǒng)，特別是滾輪挺柱間隙的調(diào)整及檢查，筆者根據(jù)自身經(jīng)驗對此作詳細說明。

凸輪軸及滾輪的安裝：（1）清潔一段備用凸輪軸和兩個通用滾輪總成，清潔機架內(nèi)凸輪軸；（2）將進排氣滾輪總成從導(dǎo)筒下部推進去，注意兩個滾輪平面朝內(nèi)相向（圖5）；

             圖5 滾輪總成                        

 圖6 定位塊安裝

（3）安裝定位塊，一個人輔助頂住進排氣滾輪，另一個人捏緊定位塊并放入兩滾輪平面之間，上緊兩個M8螺絲（圖6）；（4）安裝新的凸輪軸總成，注意對準(zhǔn)機架上凸輪軸左右的銷子，左右兩邊都穿上螺絲，借用螺絲慢慢拉緊，在拉緊過程中注意查看止推片是否有卡滯等情況。左右兩邊螺絲對角力矩拉緊到位，上緊止推固定螺栓，盤車使進排氣凸輪都在基圓位置；（5）安裝凸輪軸隨動機構(gòu)部件，調(diào)整氣閥間隙；（6）松掉定位塊兩個M8螺絲，在滾輪和定位塊間兩邊同時水平插入0.1mm塞尺，使定位塊自動找正（圖7）；（7）上緊兩個M8螺絲，移除塞尺，盤車復(fù)測（間隙范圍0.1mm-0.2mm）。

圖7 定位塊間隙調(diào)整

滾輪挺柱及定位塊間隙的檢查調(diào)整：（1）盤車使氣閥凸輪軸至氣閥重疊角上死點處，此時進排氣閥均被升高幾毫米，凸輪和滾輪對中正確；（2）松掉定位塊兩個M8螺絲，在滾輪和定位塊間兩邊同時水平插入0.1mm塞尺，塞尺平行貼合，緊固兩個M8螺絲；（3）復(fù)檢塞尺平行貼合，滾輪挺柱和定位塊間間隙范圍為0.1mm-0.2mm；（4）確保盤車凸輪軸轉(zhuǎn)動一周，在任意位置滾輪和定位塊間始終有間隙。

4 故障分析

滾輪挺柱和定位塊間的間隙應(yīng)嚴(yán)格控制在要求范圍內(nèi)，否則柴油機在運轉(zhuǎn)過程中就會出現(xiàn)滾輪挺柱和定位塊的硬摩擦，導(dǎo)致滾輪和凸輪不能正確貼合，應(yīng)力集中最終損壞凸輪軸及其隨動部件。通過對故障凸輪軸及其隨動部件的拆檢，我們可以看到損傷凸輪軸對應(yīng)的滾輪挺柱和定位塊間有明顯的摩擦痕跡，而未磨損的滾輪狀況良好；間隙存在問題的定位塊的蓄力彈簧已經(jīng)明顯變形（圖8）。

圖8 磨擦的滾輪挺柱和定位塊，變形的蓄力彈簧

結(jié)合圖1知道，該輪副機的凸輪和滾輪已經(jīng)出現(xiàn)明顯的黏著磨損，在此筆者引入黏著磨損的定義并分析影響?zhàn)ぶp的因素有哪些。

黏著磨損是由于材料表面接觸時因局部黏著（冷焊）導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移或脫落的磨損形式。在輪機修造領(lǐng)域，目前比較認(rèn)可的是Archard黏著磨損定律，其定義是兩摩擦物體在法向力和切向力的雙重作用下，產(chǎn)生金屬與金屬的直接接觸和塑性變形，從而經(jīng)歷黏著（冷焊）、剪切撕脫和再黏著的循環(huán)過程。查閱資料知道單位滑動距離的磨損量為：

式中：K—產(chǎn)生球體磨屑的概率簡稱（磨損系數(shù)）；H—摩擦副中較軟材料的硬度；P—總載荷（法向載荷）；V—磨損體積；s—滑動距離。

由上述公式我們可以知道，材料的磨損量大小與承受載荷和接觸滑動距離成正比，與摩擦副中的軟材料屈服極限強度或者材料硬度成反比，硬度越高磨損量越小。從輪機管理的角度出發(fā)，這就要求輪機員在設(shè)備的維護保養(yǎng)中做到認(rèn)真細致，嚴(yán)格控制定位塊的間隙，保證凸輪滾輪的接觸正確，減小凸輪和滾輪所受載荷，從而降低或消除凸輪的異常磨損。

5結(jié)束語

凸輪軸是副機的關(guān)鍵零部件之一，其控制著進排氣閥的開啟和關(guān)閉。凸輪軸工作條件惡劣、運動速度高、受力情況復(fù)雜，凸輪軸的工作性能直接影響船舶的航行安全、工作效率和能源節(jié)約，在日常維護保養(yǎng)過程中應(yīng)尤為重視。同時，設(shè)備大修后應(yīng)密切關(guān)注各性能參數(shù)，及時對凸輪軸、曲軸箱內(nèi)重要部件等進行檢查，盡早發(fā)現(xiàn)故障，防患于未然。

作者：海宏輪船（香港）有限公司   輪機長：胡曉勇  二管輪：楊興鵬