摘要：在船用柴油机中，曲轴是重要的零部件之一，可以将柴油机每个缸所做的功聚集在一起，再以回转运动的方式传递出去。但在实际应用过程中，曲轴也存在着发生断裂的风险，会对船舶的正常运行和船员的生命安全造成威胁。基于此，本文分析了船用柴油机曲轴发生断裂的原因，并针对预防柴油机曲轴断裂的有效措施进行探讨。

关键词：船用柴油机;曲轴;断裂原因;处理

中图分类号：U664.1                                    文獻标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）09-0176-02

0  引言

曲轴发生断裂或其他不同程度的损坏，会对柴油机的正常运行造成重大影响，从而危及到船舶的航行安全，并造成巨大的经济损失。所以当事故发生时应及时找到事故发生的原因，并采取针对性措施做好预防。

1  曲轴断裂的部位和实例断面分析

曲轴平时的工作条件比较恶劣，需要承受多种周期性变化的压力，比如离心力、惯性力矩和气体压力等，并且承受的荷载较大，应力比较集中，在实际工作过程中还会出现摩擦情况，因此对曲轴的材质、加工工艺、表面粗糙度等都有较高的要求，如果其中某一个环节出现问题，都会对曲轴的整体质量造成严重影响。一般情况下当弯曲作用力施加到曲轴上面时，应力都会集中在曲柄臂、曲柄销和圆角部位，使得这些部位的强度降低，所以需要在曲柄臂和曲柄销连接的部位设置过渡的圆弧，以此来降低集中的应力[1]。图1是一张船用柴油机曲轴断裂的实拍照片，通过照片可以看出曲臂发生了断裂。如果曲轴一开始出现了裂纹，当曲轴在高速旋转时裂纹就会出现张合现象，经过长时间的反复摩擦，裂纹扩张到一定程度后就会发生断裂，使得断面的上部则比较粗糙，通过研究可以看出变形比较严重的部位是曲轴的中心线部位，这种情况下就会产生弯曲交变应力，一旦曲轴超负荷运行，突破了曲轴材料的承受能力，就会出现曲轴断裂的情况，并且断裂现象是在比较短的时间内发生。

2  船用柴油机曲轴断裂的原因

长期遭受弯曲和扭转的复合应力引起材料“疲劳”是曲轴出现断裂的主要原因。船用柴油机曲轴断裂的具体原因有多种，可以概括为以下几个方面：①材料自身质量问题，比如有大量气孔存在于内部，杂质含量较高等，从而引起曲轴断裂，但曲轴在出厂之前都需要经过严格的检测，所以此种原因导致曲轴断裂的情况不太常见。此外，曲轴钢材料不具备比较好的致密度，会导致在进行热处理的过程中出现开裂现象，所以需要选择热工艺优良的钢材料。②机座变形一般情况下是由船体变形面引起，使得曲轴中心线超出了相应的误差标准范围，最后导致曲轴发生断裂。此种原因引起的曲轴断裂现象在实际工作过程中比较常见，所以是引起曲轴断裂的主要原因之一。③曲轴中心线和船舶轴系中心线之间的连接误差超出相关标准要求，也会导致曲轴发生断裂，并且在运行过程中也经常出现[2]。④曲轴表面裂纹引起曲轴断裂，疲劳裂纹的产生到疲劳脆性断裂的过程需要的时间非常短，在预防检查工作中极难发现，这种情况在船用柴油机中出现的次数极少。⑤主轴承长时间使用产生了较大的磨损，而且磨损情况没有规律，导致曲轴出现断裂现象。因为小型柴油机轴承价格较低，其更换过程也比较简单，并且曲轴中心线受到主轴承磨损的影响较小，产生的附加弯曲交变应力很难达到可以让曲轴断裂的程度，所以此种原因造成的断裂情况也比较少见。⑥曲轴平衡块的安装工作不到位，在安装过程中没有严格遵循相关要求标准，导致安装时出现错位现象，让曲轴的平衡性遭到破坏，需要承受巨大的惯性力。设有平衡轴的柴油机，平衡轴的主要作用就是控制和调节运动过程中产生的惯性力，平衡轴的正常运行是通过齿轮驱动实现，如果在安装齿轮的过程中出现问题，就会加大柴油机的振动，对曲轴造成巨大的冲击，从而导致曲轴疲劳折断。

3  船用柴油机曲轴断裂的预防措施

3.1 因船体变形引起曲轴断裂的预防措施

如果柴油机的缸径较小，就不需要考虑曲轴臂之间的距离，并且测量的条件也得不到满足，曲轴中心线误差超出标准后不容易被发现，尤其是缸直径超出150毫米的小型柴油机，具有较长的曲轴，由于缺乏相应的测量方法，导致曲轴臂距差的测量工作无法进行，并且船体也不是在短时间内发生变形，而是随着时间的推进慢慢出现变形现象，因此很难及时发现，从而导致柴油机的曲轴发生断裂。如果想要有效预防曲轴断裂，就要分析研究船体变形的前兆，通过研究小型柴油机曲轴断裂实例，发现可以从以下几个方面来判断船体是否存在变形的风险。

第一，缸套数据测量异常：新缸套内径数值都在一个合理的范围内，但当它们运行一段时间后，活塞会产生一个横向侧推力，对缸套造成一定影响，导致缸套出现不同程度的磨损情况，通过长时间观察可以发现磨损现象大部分都是横向的。在船体还没有开始变形时，缸套会受到磨损的影响使得横向尺寸变大，纵向尺寸基本保持不变。如果船体出现了较大的变形情况时，测量数据是缸套的横向尺寸基本没有变化，而纵向尺寸增大。基于此，轮机工作人员就可以将缸套尺寸变化情况作为判断船体是否发生变形的重要依据[3]。第二，加大了吊缸套的难度。在缸套还未发生变形时，由于磨损的影响使得内径变成椭圆形状，而缸套的外径仍然是圆形，缸套上的橡胶水密封圈、缸套与机体之间的摩擦会产生一定阻力，如果橡胶水密封圈变大，将其破坏掉就可以很轻松的吊出缸套，当船体变形时也会导致缸套变形，这个时候就会让吊缸套操作变得十分困难。因此，可以通过吊缸套的难度来判断船体是否变形。第三，在实际运行的过程中，活塞在环槽中容易出现卡死的情况，一旦船体发生变形问题后，会在一定程度上改变缸套的尺寸，尤其是对于新缸套来说受到的影响更大，会导致缸套的横向或纵向尺寸变小，同时还会影响到缸套和活塞之间的空隙大小，在柴油机正常运行的过程中，活塞受到加热就会逐渐膨胀变大，当达到一定程度后就会在环槽内卡死。所以，在对船体变形情况进行判断时，还能够将活塞异常卡死现象作为判断的依据。

3.2 船舶轴系中心线和曲轴中心线的连接误差引起曲轴断裂

针对这种原因导致的曲轴断裂情况，可以定期对轴系和主机之间的连接误差进行检查，并做好记录工作，如果发现误差超出标准范围，就需要根据实际情况进行全面分析，找到出现误差的原因，如果轮机工作人员找不到曲轴断裂的原因，面对这种情况束手无策时，就应该交由船厂进行处理。在船舶進行修理的过程中，船厂应对三线进行核对，当修理工作完成之后，轮机工作人员还要反复检测维修结果，并将问题原因以及维修内容做好记录，严格控制轴系中心线偏差，保证符合相关要求标准。

3.3 合理使用热处理技术

对曲轴表面进行强化处理是曲轴热处理技术的重要环节，通常情况下，可以利用正火对球墨铸铁曲轴进行处理，为表面处理工作打下基础，感应淬火或氮化工艺是进行表面强化处理的常用方法。在热处理过程中，应保证不出现差错，如果淬火冷却时间较短，就会有大量的上贝体和铁素体组织产生，从而对曲轴自身的强度和硬度造成严重影响，导致韧度下降，在后续的使用过程中就容易发生断裂现象。

3.4 保证曲轴铸锻毛坯质量

曲轴自身的强度和硬度会受到曲轴铸锻毛坯自身质量的影响，在对毛坯进行铸锻的过程中需要注意以下几个方面：第一，需要确保铸件结构简化，模斜度具有一定的科学性及合理性，严格控制分型面数量。第二，将铸造圆度控制在合理范围内，确保不会有棱角出现。第三，根据实际需要严格控制铸件臂的厚度，确保厚度保持均匀，符合相关要求标准。第四，强肋的自身厚度以及分布情况要合理，防止在冷却的过程中铸件出现裂纹或变形的情况。因为曲轴自身的强度与毛坯质量有直接关系，如果强度达不到要求就容易发生裂纹，最后导致曲轴出现断裂问题。因此，应严格按照相关规定要求开展毛坯铸锻工作，为曲轴质量打下坚实的基础。

3.5 做好曲轴润滑处理

通常情况下，曲轴的断裂并不是在一瞬间发生的，而是由于断裂之前出现了裂纹情况，然后裂纹经过慢慢发展最后才导致曲轴断裂，所以在正常运行过程中需要加强对裂纹的重视，采取有效措施预防裂纹的产生。润滑条件不足是出现裂纹的主要原因，比如润滑剂质量不达标、润滑剂老化和润滑剂受到污染等，这些情况都会对润滑剂的质量和使用效果产生影响，导致润滑条件恶化，从而使得曲轴各个零部件之间的摩擦加剧，最后导致裂纹的产生。因此，应选择质量较好的润滑剂，确保润滑剂的作用可以得到充分发挥，有效防止裂纹现象的发生。

3.6 柴油机大修检测，加强日常管理

柴油机在较长时间的使用之后，需要定期开展维修保养工作，在对柴油机进行维修保养的过程中，轮机工作人员应加强对裂纹现象的重视，对曲轴表面进行全面检查，不放过任何一个可疑的地方，一旦发现曲轴出现裂纹就要对其进行更换。做好曲轴的清洁工作，对主轴颈和曲柄销颈圆度进行测量，如果测量结果不符合相关要求标准，就要更换曲轴。曲轴弯曲塑性变形检测工作需要在平板上面进行，在检测过程中还要开展校正作业，全面检查和测量主轴承和曲柄销轴承，如发现异常及时处理。在日常管理工作中，应严格按照柴油机的保养规定开展工作，定期开展曲轴和轴承的全面检查工作，仔细观察它们的运行情况，一旦发现存在异常情况就需要及时采取有效措施予以解决，并在轮机日志中记录下来。还要全面检查主机、齿轮箱和轴承等螺丝松紧度，确保不会出现螺丝松动的情况。注意查看轴系振动情况，如发现振动异常应找到原因并及时处理，严格控制柴油机的工作时间，避免出现超负荷运行。

4  结语

柴油机具有诸多优点，与其他热机比较来说具有很好的实际应用优势，自从面世以来就得到了广泛的应用，极大的推动了航海事业的发展。柴油机曲轴工作质量能够对柴油机的正常运行造成直接影响，如果曲轴发生断裂会导致船舶无法正常航行，并且严重威胁到全体船员的生命安全。因此，在日常运行过程中应加强对曲轴的管理和维护，定期开展曲轴的全面检查工作，采取有效措施提升柴油机的使用寿命，为船舶的安全航行奠定坚实的基础，从而促进我国航海事业的健康稳定发展。

参考文献：

[1]陈鑫，王云飞，张洋，等.某六缸柴油机曲轴连杆颈断裂失效分析[J].内燃机，2019（1）：29-31，36.

[2]苏展望，赵同宾，赵建平，等.双向深割过渡圆角对提高曲轴主轴颈疲劳强度的研究[J].柴油机，2020（3）：17-23，44.

[3]阎心怡，崔毅，付艳，等.基于动力学润滑耦合的低速二冲程船用柴油机机座刚度匹配设计[J].船舶工程，2019（9）：60-66.

作者简介：冯立文（1973-），男，广西北海人，壮族，工程师，研究方向为船用柴油机的修理。