胡善付 郭超 于躍

（廣船國際質(zhì)量管理部、物資部）

0 前言

TBD620 系列柴油機(jī)以其高熱效率、高經(jīng)濟(jì)性、高可靠性、方便維修而成為先進(jìn)的發(fā)電機(jī)之一。TBD620V16 柴油發(fā)電機(jī)組主要運(yùn)動(dòng)部件包括曲軸總成，活塞連桿組件，主軸瓦、連桿軸瓦等，曲軸上安裝有主動(dòng)齒輪用以傳動(dòng)凸輪軸、噴油泵及其輔助裝置。傳動(dòng)軸裝于軸承座中，軸承座由殼體、傳動(dòng)軸、滾動(dòng)軸承、滑環(huán)、O 型圈、軸密封圈、鎖緊螺母、內(nèi)六角螺釘、調(diào)整環(huán)、樂泰242 組成，其中傳動(dòng)軸的材質(zhì)為42CrMo，狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理。下面分別從現(xiàn)場勘察、原因分析、處理方法等幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 現(xiàn)場描述及拆檢情況

1.1 故障概述

某船3#柴油發(fā)電機(jī)組（編號(hào)3A8C00320）在700kW 負(fù)載運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)柴油機(jī)高壓油泵傳動(dòng)軸斷裂故障。故障發(fā)生時(shí)，柴油機(jī)累計(jì)運(yùn)行約1000 小時(shí)。

1.2 柴油機(jī)拆檢情況

事故發(fā)生后立即組織相關(guān)人員對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)高壓油泵傳動(dòng)軸在定位螺母與聯(lián)軸節(jié)之間的位置處斷裂，見圖1 和圖2，斷口處有磨損、生銹痕跡。檢查高壓油泵齒條動(dòng)作靈活，高壓油泵傳動(dòng)法蘭螺母緊固無松動(dòng)。檢查柴油機(jī)V 形夾角內(nèi)無異物，泵傳動(dòng)軸上無明顯磕碰痕跡。拆下柴油機(jī)前端小蓋板，檢查高壓油泵傳動(dòng)齒輪緊固螺栓無松動(dòng),對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行手動(dòng)盤車兩圈以上正常，觀察前端齒輪系，各零部件外觀及轉(zhuǎn)動(dòng)無異常，拆下淡、海水泵，觸摸檢查凸輪軸齒輪及水泵齒輪，其可見部分未見異常。為排查故障發(fā)生的原因，拆下高壓油泵傳動(dòng)裝置、高壓油泵聯(lián)軸節(jié)，安排返廠檢測。返廠后檢查泵傳動(dòng)軸，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)有輕微卡滯，定位大螺母安裝無松動(dòng)，見圖3。軸與法蘭錐面無滑動(dòng)痕跡，見圖4。泵傳動(dòng)裝置總成裝配符合要求無異常。拆解傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸兩端軸承無損傷，見圖5。

圖1 傳動(dòng)軸斷裂照片

圖2 傳動(dòng)軸斷裂位置示意圖

圖3 泵傳動(dòng)端

圖6 斷軸形貌

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（Wt%）

表2 力學(xué)性能分析結(jié)果

圖4 聯(lián)軸節(jié)端

圖5 內(nèi)部未拆出的軸承

2 傳動(dòng)軸斷裂原因分析和解決方法

2.1 傳動(dòng)軸斷裂失效分析

（1）宏觀分析：肉眼觀察傳動(dòng)軸已斷裂成兩部分，斷口有磨損。將斷口兩部分復(fù)原發(fā)現(xiàn)斷口由于變形和磨損不能完全吻合，并有小塊缺失，斷軸形貌，見圖6；

（2）化學(xué)成分分析：對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分滿足要求，見表1；

（3）力學(xué)性能分析：對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行拉伸和沖擊性能試驗(yàn)，力學(xué)性能滿足要求，見表2；

（4）掃描電鏡分析：在斷口下方觀察到一條與斷口近似平行的裂紋，將該裂紋打開，將圖7 中箭頭處的小塊金屬取下，發(fā)現(xiàn)斷口的部分區(qū)域?qū)嶋H是由下方裂紋擴(kuò)展過來形成的。

原始斷口和新打開斷口的形成部位和性質(zhì)一致，由于原始斷口磨損嚴(yán)重，因此對(duì)新打開斷口進(jìn)行掃描電鏡分析。

斷口上可觀察到明顯貝紋線，貝紋線呈半圓弧形，其圓心即為源區(qū)。對(duì)源區(qū)進(jìn)行放大觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯冶金缺陷，見圖8。斷口上大部分區(qū)域有覆蓋，觀察不到斷口細(xì)節(jié)，能觀察到的部位有疲勞輝紋和二次裂紋特征。

對(duì)源區(qū)表面進(jìn)行觀察，在源區(qū)附近觀察到0.8mm 左右的條紋痕跡，該條紋痕跡位于軸的變徑上，放大后形貌，見圖9；

圖7 斷口低倍形貌

圖8 斷口形貌

圖9 表面形貌

圖10 金相組織 500×

圖11 拋光態(tài)形貌 200×

圖12 腐蝕態(tài)形貌 500×

圖13 源區(qū)組織 500×

（5）金相分析：傳動(dòng)軸夾雜物級(jí)別：A1.0，D1.0級(jí)。金相組織：回火索氏體，見圖10。

截取變徑處進(jìn)行金相分析，拋光狀態(tài)下變徑處未觀察到明顯缺陷，見圖11。腐蝕狀態(tài)下金相組織與其他部位一致，未觀察到明顯缺陷，見圖12。

對(duì)斷口表面進(jìn)行金相制樣觀察，源區(qū)附近金相組織與其他部位一致，未觀察到明顯缺陷，見圖13。

經(jīng)過上述試驗(yàn)進(jìn)行分析初步認(rèn)為傳動(dòng)軸化學(xué)成分、拉伸和沖擊性能均滿足要求。夾雜物級(jí)別不高，為A1.0，D1.0 級(jí)。金相組織為回火索氏體，屬正常調(diào)質(zhì)態(tài)組織，材質(zhì)正常。

在斷口下方觀察到一條與斷口近似平行的裂紋，發(fā)現(xiàn)斷口的部分區(qū)域?qū)嶋H是由下方裂紋擴(kuò)展過來形成的。原始斷口和新打開斷口的形成部位和性質(zhì)一致，由于原始斷口磨損嚴(yán)重，因此對(duì)新打開斷口進(jìn)行掃描電鏡分析。

新打開斷口上可觀察到明顯貝紋線，貝紋線呈半圓弧形，貝紋線所占區(qū)域即為疲勞擴(kuò)展區(qū)，該區(qū)面積占整個(gè)斷口面積的1/3 左右。斷口大部分區(qū)域有覆蓋物，觀察不到斷口細(xì)節(jié)。能觀察到的部位有疲勞輝紋和二次裂紋特征。結(jié)合斷口特征可以判斷，傳動(dòng)軸在運(yùn)行工況下長期受扭轉(zhuǎn)力的作用，造成疲勞損傷，斷口屬于扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

貝紋線的圓心即為源區(qū)，對(duì)源區(qū)進(jìn)行放大觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯冶金缺陷，但是在源區(qū)附近觀察到0.8mm 左右的條紋痕跡，該條紋痕跡位于軸的變徑上。截取變徑處進(jìn)行金相分析，變徑處未觀察到明顯缺陷，金相組織也與其他部位一致，屬于正常組織。

因此，傳動(dòng)軸屬于扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，疲勞源位于軸變徑的條紋痕跡處。在排除掉傳動(dòng)軸內(nèi)部組織的各種缺陷因素后，經(jīng)過分析判斷，認(rèn)為應(yīng)該是表面質(zhì)量不良或缺陷導(dǎo)致了疲勞裂紋的萌生，應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)了疲勞斷裂。

2.2 解決和處理的方案

（1）針對(duì)此問題，提醒生產(chǎn)廠家對(duì)庫存?zhèn)鲃?dòng)軸外觀質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)有表面受損現(xiàn)象，零部件外觀質(zhì)量良好。并提醒生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程加強(qiáng)零部件表面保護(hù)，裝配前確認(rèn)零部件表面質(zhì)量，裝配過程注意保護(hù)，避免磕碰，確保運(yùn)動(dòng)部件外露部分不受損傷。

（2）現(xiàn)場已按工藝要求更換傳動(dòng)軸，裝復(fù)高壓油泵，并對(duì)柴油機(jī)裝復(fù)后進(jìn)行磨合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合要求。

（3）對(duì)現(xiàn)場其它5 臺(tái)柴油機(jī)進(jìn)行盤車檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，并對(duì)高壓油泵傳動(dòng)軸進(jìn)行了著色探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，目前機(jī)組運(yùn)行正常，運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文僅對(duì)TBD620V16 柴油機(jī)高壓油泵傳動(dòng)軸斷裂情況的處理過程進(jìn)行了簡單闡述，通過失效分析查找原因，解決問題并舉一反三。隨著造船事業(yè)日益發(fā)展和造船量的增加，希望本文能對(duì)大家在以后工作中遇到的相同及類似問題提供一些幫助。