|
东风4B型内燃机车柴油机故障分析
冯
健
(铁道部铜陵车辆厂理化处
铜陵 244142)
摘
要：东风4B型内燃机在满负荷运行时，柴油机第10缸活塞破碎。用扫描电镜和金相分析等方法对破损活塞进行了分析。结果表明，柴油机钢顶铝裙组合活塞的连接
螺栓存在加工及热处理质量缺陷，致使螺栓产生疲劳断裂，最终导致柴油机破损。
主题词：内燃机车；柴油机；活塞；破损；分析
1
柴油机破损情况简介
东风4B型内燃机车(1752号16V240ZJ型柴油机)在满负荷运行(爬坡)时发生柴油机破损事故。经拆检，发现柴油机第10缸活塞破碎，破损活塞的钢顶与铝裙已分离，铝裙经撞击形成多块碎片，钢顶有擦伤及轻微变形，未发现裂纹。四根螺栓均沿钢顶与铝裙结合面处断裂(见图1)。螺栓断为两段，并因受撞击而产生变形(见图2)。因缸套、连杆、缸头破损影响到对面第2缸，造成其活塞、连杆破损。
活塞运行里程为26万公里。
钢顶铝裙组合活塞由钢顶、铝裙及连接螺栓三部分组成。钢顶材质为42CrMoA，模锻成型后经调质处理。铝裙材质为LD11，热加工工艺为棒料模锻成毛坯，经淬火、人工时效处理。连接螺栓材质为40CrNiMoA，调质处理，技术要求硬度为32～38HRC,螺纹经滚压成形。
图1 结合面处螺栓断裂形貌
图2 断裂螺栓形貌
2
断裂铝裙分析
2.1
铝裙化学成分
在碎片上钻取样品进行化学成分分析，结果列于表1。铝裙的化学成分符合LD11技术条件。
2.2
铝裙组织
在铝裙销孔座处碎片上取金相试样，其显微组织见图3。检验结果表明，铝裙组织正常，无过热、过烧现象。铝裙系柴油机破损过程中受撞击而破碎的。
图3
铝裙销孔座处组织(硅呈小颗粒状分布，有少量残留的枝晶状铸态组织)
100×
低浓度混合酸侵蚀
3
断裂螺栓分析
3.1
螺栓化学成分
螺栓的化学分析试样取自1号螺栓杆部，分析结果列于表2。螺栓化学成分符合技术要求。
3.2
螺栓基体组织
显微镜下，螺栓的基体组织为保持马氏体位向的回火索氏体，组织正常(见图4)。
图4 螺栓基体组织 4%硝酸酒精溶液侵蚀
100×
图5 钢顶内螺纹中轴线剖面
3.3
螺栓硬度
在1号螺栓杆部切取硬度试块，测量表面及截面1/2r(r为螺栓半径)处硬度，结果列于表3。螺栓截面硬度高于技术条件要求。
3.4
螺栓装配情况
顶--裙装配时，技术要求螺栓扭矩为80N·m。我厂现用扭力板手测量螺栓扭矩，四只螺栓扭矩均为80N·m。
将图1所示断于钢顶内的四根螺栓的螺纹部分用线切割沿螺栓中轴线切开，其形貌见图5。经测量，四根螺栓的螺纹与钢顶的配合长度为14.5～15.lmm，符合组装要求。螺栓螺纹与钢顶内螺孔啮合紧密，未发现松动等异常现象。
3.5
螺栓螺纹根部检验
将钢顶内的四根螺栓螺纹中轴线剖面制成金相试样于显微镜下观察，四根螺栓螺纹根部形貌相同，均为直线，与图纸要求R0.2不符，且齿根处存在裂纹，裂纹尾部圆钝(见图6)。试样经侵蚀后观察，螺纹滚压流线清晰、顺畅，裂纹位于滚压硬化层内未穿越流线(见图7)。
图6 齿根及裂纹形貌 200×
图7 滚压层流线
400×
检验结果表明，裂纹并未存在于整个螺纹根部，仅存在于断裂螺纹相邻的3-4个螺纹根部，且裂纹深度随距螺纹断面距离的增大而逐渐减小。按图纸要求，螺纹滚压成型后，其齿根应均匀圆滑过度(R0.2)。
3.6
螺栓断口分析
设备：菲力浦XL30型扫描电镜。
取1号螺栓螺纹处断面进行微观形貌分析，断口形貌见图8。断面为平滑断口，图中A,B和C分别为疲劳源区(A)，疲劳扩展区(B)及瞬时断裂区(C)oC区面积约占断面的2/3，说明螺栓所受应力较大。
断口疲劳弧带呈同心圆，但疲劳源<A)并不处于同心圆的几何圆心，而是在疲劳弧带的外侧方向，系典型的拉一拉状态，即为严重应力集中疲劳断口。
图8 疲劳断口形貌 4.8×
图9 疲劳源(A)放大形貌
80×
图9为疲劳源A放大形貌。疲劳源于螺纹根部，其疲劳辉纹较清晰。图中源区覆盖物系撞击而沾附的金属碎屑。
4 分析
(1)
上述检验结果表明，柴油机破损事故首先源于柴油机的钢顶铝裙组合活塞。而活塞的破损与铝裙和连接螺栓的破断有关。
(2)
铝裙的化学成分符合技术条件，基体组织中未发现粗大初晶硅和严重枝晶状铸态残留组织，也未见过热、过烧现象，表明铝裙模锻和热处理工艺正常。
(3)
四只螺栓螺纹与钢顶内螺孔啮合紧密，螺栓装配符合技术要求。
(4)
经扫描电镜分析，1号螺栓断口具有疲劳断裂的特征，疲劳源于螺栓的螺纹齿根部。表明活塞的破损是由于连接螺栓的疲劳断裂造成的。
(5)
由于螺栓螺纹齿根为直线，无弧线过度，该处产生应力集中;螺栓热处理不当，硬度偏高，降低螺栓的疲劳抗力;机车处于爬坡满负荷工作状态，活塞(螺栓)所受应力较大;在上述因素的综合作用下，螺栓于运行中产生疲劳断裂，并在断裂过程中于螺纹齿根处产生应力裂纹。
5 结论
(1)
东风4B型内燃机车柴油机破损事故是由于柴油机第10缸钢顶铝裙组合活塞1号连接螺栓在运行中首先产生疲劳断裂，从而造成另外三根螺栓受力不均而断裂，使钢顶与铝裙分离，最终导致柴油机破损事故的发生。
(2) 1号螺栓的疲劳断裂是由于螺栓滚压及热处理不当，于螺纹齿根处产生应力集中所致。
(3)
建议在滚压螺纹前对滚丝轮进行检查并修整，以便滚压出符合图纸要求的(R0.2)螺纹齿根，减少应力集中。
|
