故障檢修與技術維護

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、搖臂是柴油發動機里的一個部件，也是柴油發電機組配氣結構中的重要零部件，它的作用是定時開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，使新鮮的可燃混合氣或空氣得以及時進入氣缸，廢氣得以及時從氣缸排出。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很高，特種鑄鐵是它的材質，偶爾也采用鍛件，所以在發動機中配氣機構占據著很重要的地位。但由于配氣機構運轉時需要承受著交變荷載，長時間的工作會產生疲勞裂紋，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、搖臂斷裂故障產生的原因進行了分析，并提出相應的解決辦法，以減少康明斯用戶損失，保證柴油發電機組以后作業的安全。

 

一、活塞斷裂的原因和檢修方法

      柴油發電機在運轉中突然產生很大的敲擊聲，排氣管冒出一陣黑煙，應立即熄火。搖轉柴油發電機曲軸能轉動，但無壓縮，經檢查為活塞斷裂。 

1、活塞斷裂的原因

（1）柴油發電機溫度過高

      冷卻系統工作不良，有冷卻水滲漏現象而仍然運行發動機，造成高溫狀態下，缸套與活塞咬死，導致活塞斷裂。潤滑系統工作不良，機油未及時更換，或更換劣質機油、更換不合標號機油，或發動機機油不足，導致摩擦、磨損過度，溫度也隨之升高，缸套與活塞咬死，導致活塞斷裂。柴油發電機長期超負荷工作，發動機高速大負荷運行致溫度過高、磨損嚴重，長此下去，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）機構松動；安裝活塞銷時活塞未經加熱而猛敲猛打，導致活塞嚴重變形或產生裂紋。

（3）配合度過大

      活塞環開口間隙較小（間隙位置如圖1所示）、活塞環膠結或斷裂會導致活塞環不能與缸壁緊密貼合，活塞頂的熱量不能及時傳走，同時還會導致高溫氣體下竄，結果使活塞頂及活塞環槽部位因過熱而燒蝕。

（4）撞擊現象

      進、排氣門與活塞相撞，或活塞銷與活塞銷座孔磨損嚴重，間隙過大，有撞擊現象，導致活塞斷裂，連桿彎曲、活塞與缸套產生偏磨。

（5）活塞質量不合格

      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致疲勞損壞。在發動機工作時，活塞徑向受到氣缸筒的作用力，連桿體在往復運動中，通過連桿小頭、活塞銷對活塞形成作用力。如圖2所示，F是氣缸筒對活塞的作用力，F′是活塞銷對活塞的作用力，F-F與F′-F′形成2個力偶，且方向相反。當有疲勞損壞時，這2個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防

（1）連桿彎曲檢修

      更換活塞時，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。在冷態時，活塞銷與活塞銷座孔有相對轉動時，應更換活塞。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，要注意連桿軸線應與鉸刀軸線相垂直，慢慢地邊轉動連桿，邊向下推進鉸削。每鉸一刀以后必須將連桿襯套內切屑擦凈，用活塞銷與連桿小頭襯套試配，鉸好后應保證配合間隙在0010～0046 mm。檢查活塞銷配合的松緊度。將活塞銷事先插入連桿襯套內約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推進連桿襯套，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，還需要適當鉸削。

（3）溫度過高的檢修

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

（4）撞擊現象檢修

      若活塞頂部有被氣門撞擊的痕跡。應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，汽缸蓋罩內發出“咔嚓”響聲，排氣管冒出白煙（進氣門搖臂折斷），或不冒白煙（排氣門搖臂折斷），柴油發電機即自動停機。

1、氣門搖臂折斷的原因

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

（2）氣門間隙或減壓機構間隙調整過小，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管內導致搖臂折斷；配氣正時齒輪嚙合位置不對，或齒輪鍵槽磨損松動，致使柴油發電機配氣時間錯亂。

2、技術檢查步驟

      當發現有某一搖臂折斷時或懷疑搖臂即將折斷時，應對其他搖臂也要做技術檢查，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，裂紋會表現為明亮的實線；鑄件中的穴蝕會表現為一個小的圓形標記。

      如果發現裂紋或穴蝕，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檢測

 

3、氣門搖臂斷裂故障的修復

（1）檢查氣門導管壓入深度

      拆下汽缸蓋罩，首先檢查氣門導管壓入深度是否足夠，檢查氣門導管及氣門彈簧上座、氣門鎖夾有無因碰撞而產生的痕跡。柴油發電機氣門導管壓入汽缸蓋后，凸出高度（從氣門彈簧下座支承面測量）應為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管相撞，導致氣門搖臂斷裂（搖臂斷裂前實物如圖7所示，搖臂斷裂后實物如圖8所示），其后應對損壞部件進行更換。

② 若凸出的高度過低，氣門處于關閉狀態時，會導致氣門頭錐形面與導管相碰，使氣門關閉不嚴而漏氣。其后應對其進行調整。

③ 若不是由于氣門導管安裝過高，須拆下汽缸蓋，觀察有無外來物掉進汽缸。若有異物進入，其后進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

      若確認相撞，應檢查氣門間隙或減壓機構間隙是否過小，氣門頭部沉入汽缸蓋平面深度是否過淺（沉入深度進氣門為150～195 mm，排氣門為0.90～1.25 mm）。若過淺，應用氣門鉸刀鉸削。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 檢查氣門座密封環帶的寬度（標準值為1.2～1.5 mm）。

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

④ 如密封環帶太寬偏下，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，將氣門座密封環帶位置降低。

⑥ 用45°鉸刀精鉸氣門座。用柴油或煤油注入進、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量差，磨損情況嚴重，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，導致凸輪軸滑動起來有障礙。下面就用康明斯一款發動機的凸輪軸來舉例分析出現斷裂的原因。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，凸輪軸推片必須達到材料20鋼的技術要求，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動機，要看油路暢通是否在正常工作，有沒有氣阻的現象。如果在供油正常的情況下，將氣門室蓋拆開，發現因為嚴重彎曲而導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，彎曲和不能轉動的現象根本不存在，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。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

      柴油發動機的安裝一切都要按照大修程序和大修技術標準來嚴格執行，對凸輪軸和曲軸的要求就高。如果齒輪軸頸已經被磨損，那么它的直接表現是齒輪只有旋轉半圈，曲軸在拆卸的時候也會有損傷的情況。所以要進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，應修磨凸輪，低1.0mm時，用堆焊法修復。凸輪起槽或有斑點要用油石修復。

（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，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

      使用外徑測量儀或內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）首先要考慮的問題是是否設計強度不夠而導致斷裂。如果一臺發動機連續工作數年，或者此型號的柴油機在別的汽車沒有發生斷裂情況，那就是此發動機的凸輪軸設計強度不夠不恰當。

（2）拆開各部件的零件來看，在定式齒輪并沒有見到沖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導致疲勞彎曲。垂直軸線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，致使凸輪軸的旋轉速度也有所減慢，雖然發動機已經熄火，但是發動機的慣性致使凸輪軸還在不停的轉動，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的情況下產生了。從而就產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鍵，凸輪軸在導致彎曲斷裂是在氣缸蓋軸承孔發生嚴重磨損的時候，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，對柴油發動機的影響也很不好。

（2）從凸輪軸的結構上來分析，整體的扭桿軸是在旋轉和傳遞扭矩的情況下變成的，氣門在彎曲負荷工作情況下，凸輪軸應該發揮好它的作用，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）對凸輪軸的維護時間也要恰當，應定時的對發動機以及凸輪軸保養維修，使其工作性能的作用發揮的更好。

       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。最后將發動機的一切材料都給組裝完畢，實驗發動機是否可以正常啟動，如果可以正常啟動那么發動機沒有問題。

 

圖9  凸輪和凸輪軸頸最大直徑的測量

柴油機凸輪軸孔內徑的測量

 

總結：

     綜上所述，柴油發動機氣門機構中的活塞、搖臂、凸輪軸斷裂產生故障原因應為長期的轉動而產生的斷裂，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生，就要在起步的時候就選擇性能較好的材料，經常檢查氣門機構的運轉情況，減少斷裂故障的發生。此外，柴油發電機工作時，除了會發生一些常見故障外，有時還會發生相當嚴重的、少見的事故性損壞故障，給柴油發電機使用帶來重大損失，也威脅著操作者的人身安全。因此，了解這些故障產生的原因，使用中注意預防，對減少損失，保證作業安全意義重大。

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