【船机帮】船用四冲程柴油发电机连杆螺栓的损坏与控制

连杆螺栓广泛应用于各类船舶的柴油发电机中 ,长期在交变的机械应力和热应力下的恶劣环境下工作,时常会发生由于连杆螺栓断裂而导致发电柴油机的伸腿事故。

连杆螺栓虽小,但对于船舶柴油机来说非常重要,连杆螺栓一旦发生断裂破坏,必然会引发柴油机波及性的破坏事故,例如,汽缸盖、连杆、曲轴、机体等损坏,使整台柴油机处于瘫痪状态。

因此对发电柴油机的连杆螺栓的管理必须重视 ,绝对不可掉以轻心。

笔者根据多年在一线船舶工作的管理经验,从连杆螺栓的材料、设计与制造、连杆螺栓常见的损坏形式、提高连杆螺栓的可靠性措施以及在使用中的检测和注意事项等几个方面入手,加深对连杆螺栓的了解和认识,并在管理中能够引起足够的重视。

希与同行共勉。

连杆螺栓是船用柴油机的重要螺栓之一,主要用于柴油机大端轴承座与轴承盖的连接。

因此,连杆螺栓不仅要保证紧固连接的质量,而且还要承受很大的安装预紧力和运转中周期性变化的高应力作用,因此,制造连杆螺栓的材料常采用优质碳钢和优质合金钢,如 45#钢、40Cr及 35CrMo等,以便有效地提高连杆螺栓的抗拉强度和疲劳强度,并应进行热加工及调质处理等措施。 

由于船用发电柴油机的连杆螺栓的尺寸受到了连杆结构的限制,它的尺寸比较细小,所以在设计制造上对材料的机械性能及连杆螺栓的技术参数都有一定的要求,以满足工作的可靠性。

1.应有足够的强度。

一般采用热处理的方法来提高材料的机械性能;选用高强度的材料;提高制造精度或提高动载荷等措施。来提高防止断裂和残余变形的能力。 

2.应具有足够的刚度。

确保连杆螺栓受载荷后的弹性变形不超过允许限度。 

3.应具有一定的使用寿命。

应具有足够的疲劳强度,减少应力集中现象;提高连杆螺栓的表面质量,降低应力较高区域的表面粗糙度;并尽可能地减小或消除螺栓表面可能发生的初始裂纹等。 

4.连杆螺栓满足合理的工艺性,力求减少被加工表面的数量和面积,便于加工和拆装,使造型简单化。

除此之外,还应满足经济性的要求及安全技术性要求等。 

船用柴油机连杆螺栓的技术参数必须满足下列要求: 

(1)硬度用中碳钢制造的连杆螺栓为HRC ( 26-31);用合金钢制造为HRC (28 - 32)。

(2)连杆螺栓的导向部分,表面的粗糙度不大于0.6,螺纹表面及支撑端面不大于3.2。 

(3)端面跳动

(a)螺栓支撑端面对导向部分轴心线的端面跳动为:

螺栓直径≤20mm者,不大于0.02mm;螺栓直径>40mm者,不大于0.03mm;螺栓直径>40～60mm者,不大于 0.04mm;螺栓直径>60mm者,不大于0.05mm。 

(b)螺母的支撑端面对螺孔的轴心线的端面跳动应不大于 0.05mm。 

(3)磁力探伤检查。

连杆螺栓应经磁力探伤检查 ,螺栓导向部分不允许有横向发纹存在,允许有与轴线交角小于30°的纵向发纹存在,长度不超过5mm,总数不超过3条。

在理论上可用砂纸或油石打磨,使纵向发纹表面光滑后继续使用,但在船用柴油机的实际使用过程中,由于技术条件的限制,一旦发现细小的发纹,就应立即更换,以免造成更大的损坏。

另外,连杆螺栓探伤后应做退磁处理。

连杆螺栓常见的损坏形式有螺纹的变形与损坏、螺栓塑性拉长或形成颈缩、螺栓弯曲变形、裂纹、螺栓螺母配合松动及断裂等。

其中断裂是连杆螺栓的主要损坏形式。

根据日本海事协会对船用柴油发电机损伤事故的调查,对连杆螺栓断裂的位置和原因统计归纳如下: 

1.断裂位置

(1)在螺纹部分断裂的占46%; 

(2)在中央圆角处断裂的占40%; 

(3)在螺栓头根部断裂的占10%。 

2.断裂原因

(1)由于疲劳占40%; 

(2)忘记装螺栓锁紧片等占25%; 

(3)上紧不良,占13%; 

(4)圆角不足等设计加工不良占12%; 

(5)材料本身存在缺陷占6%。 

从上述的统计归纳中可以看出,连杆螺栓损坏断裂的主要部位大部分发生在螺纹和凸肩过渡圆角处,都是应力集中的部位,是疲劳裂纹的发源地。

现代柴油机的连杆螺栓,即使在安装状态,其所受应力已接近材料的屈服极限,如果再安装和使用不当,在交变的工作载荷作用下,这些部位若有擦伤、碰伤, 将会使应力集中进一步恶化,造成螺栓的塑性变形, 导致大端接合面松弛,由于冲击载荷而导致连杆螺栓的损坏甚至断裂。

因此,对于连杆螺栓的可靠性必须给予高度注意与重视。

对于新换的螺栓和使用中的连杆螺栓要仔细检查、检测后再进行安装使用: 

(1)用放大镜和肉眼检查有无缺陷,特别要注意检查螺栓的头部、凸肩过渡圆角处、螺纹及螺纹的根部,不允许有碰伤、拉毛、变形及裂纹等缺陷存在, 尤其螺栓的各圆角、螺纹之间的过渡处; 

(2)用牙规和直尺检测螺纹的螺距和弯曲情况; 

(3)将连杆螺栓用细钢丝吊起来,用手锤敲打, 与新的螺栓比较它们的声音来判断有无缺陷和疲劳的程度; 

(4)螺栓若在轴承上、下紧配处的孔中松动,则轴承盖由于离心力而产生位移,就会使连杆螺栓受到剪切力的作用;若在上下轴承合缝处露出白合金, 则在安装螺栓时就会将其挤出来,或者由于孔边有毛刺,容易使螺栓咬死; 

(5)检查连杆螺栓与螺栓孔的配合间隙,不可过紧,容易使连杆螺栓受到附加外力的作用而导致损坏;

(6)测量连杆螺栓的总长以检测其伸长量,以发现螺栓的永久变形,若伸长量超过原设计的2%, 就应该报废换新; 

(7)在使用过程的常规检查中,要检查连杆螺栓的锁紧片及锁紧螺栓的紧固情况; 

(8)检查连杆螺栓头部与轴承压盖的接触面是否均匀接触,贴合良好,否则在运转的过程中产生摩擦,会造成连杆螺栓的附加应力增加; 

(9)一般来讲,柴油发动机的连杆螺栓的使用寿命为15 000～20 000h,超过这个时间,即使表面无异状也应该换新。

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