康明斯动力（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

凸轮轴、活塞和气门摇臂断裂三例事故检修方案

 

摘要：凸轮轴、活塞、摇臂是柴油发动机里的一个部件，也是柴油发电机组配气结构中的重要零部件，它的作用是定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜的可燃混合气或空气得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。因此，在设计中对配气机构零件在强度和支撑方面的要求会很高，特种铸铁是它的材质，偶尔也采用锻件，所以在发动机中配气机构占据着很重要的地位。但由于配气机构运转时需要承受着交变荷载，长时间的工作会产生疲劳裂纹，从而造成零件异常受力疲劳断裂。康明斯公司在本文主要针对凸轮轴、活塞、摇臂断裂故障产生的原因进行了分析，并提出相应的解决办法，以减少康明斯用户损失，保证柴油发电机组以后作业的安全。

 

一、活塞断裂的原因和检修方法

      柴油发电机在运转中突然产生很大的敲击声，排气管冒出一阵黑烟，应立即熄火。摇转柴油发电机曲轴能转动，但无压缩，经检查为活塞断裂。 

1、活塞断裂的原因

（1）柴油发电机温度过高

      冷却系统工作不良，有冷却水渗漏现象而仍然运行发动机，造成高温状态下，缸套与活塞咬死，导致活塞断裂。润滑系统工作不良，机油未及时更换，或更换劣质机油、更换不合标号机油，或发动机机油不足，导致摩擦、磨损过度，温度也随之升高，缸套与活塞咬死，导致活塞断裂。柴油发电机长期超负荷工作，发动机高速大负荷运行致温度过高、磨损严重，长此下去，易导致活塞断裂。

（2）人工装配的原因

      如活塞与汽缸间隙过小，活塞销与连杆小头衬套、活塞销座孔配合过紧，连杆（瓦）机构松动；安装活塞销时活塞未经加热而猛敲猛打，导致活塞严重变形或产生裂纹。

（3）配合度过大

      活塞环开口间隙较小（间隙位置如图1所示）、活塞环胶结或断裂会导致活塞环不能与缸壁紧密贴合，活塞顶的热量不能及时传走，同时还会导致高温气体下窜，结果使活塞顶及活塞环槽部位因过热而烧蚀。

（4）撞击现象

      进、排气门与活塞相撞，或活塞销与活塞销座孔磨损严重，间隙过大，有撞击现象，导致活塞断裂，连杆弯曲、活塞与缸套产生偏磨。

（5）活塞质量不合格

      活塞铸造时存在气孔、疏松、微裂纹、夹渣等缺陷，则在高温高压作用下，这些气孔、疏松、微裂纹会成为疲劳源而导致疲劳损坏。在发动机工作时，活塞径向受到气缸筒的作用力，连杆体在往复运动中，通过连杆小头、活塞销对活塞形成作用力。如图2所示，F是气缸筒对活塞的作用力，F′是活塞销对活塞的作用力，F-F与F′-F′形成2个力偶，且方向相反。当有疲劳损坏时，这2个力偶致使活塞从径向横截面的应力最大处容易断裂。

 

图1  柴油机活塞环开口间隙示意图

图2  柴油机活塞受力工作过程

2、活塞断裂的检修与预防

（1）连杆弯曲检修

      更换活塞时，应检查连杆是否弯曲，若连杆弯曲或扭曲，应予以校正（如图3所示）。

（2）配合间隙过大检修

      检查活塞销与连杆小头衬套、活塞销座孔配合是否磨损过大，如图4所示。在冷态时，活塞销与活塞销座孔有相对转动时，应更换活塞。在更换连杆小头衬套时，连杆小头衬套压入连杆衬套孔以后，其内径需用专用铰刀铰削，若无专用铰刀，可用三角刮刀慢慢刮削，一边刮，一边用活塞销试配，直至配合良好。用专用铰刀手工铰削连杆小头衬套时，把铰刀夹在钳台上。铰削时，要注意连杆轴线应与铰刀轴线相垂直，慢慢地边转动连杆，边向下推进铰削。每铰一刀以后必须将连杆衬套内切屑擦净，用活塞销与连杆小头衬套试配，铰好后应保证配合间隙在0010～0046 mm。检查活塞销配合的松紧度。将活塞销事先插入连杆衬套内约20 mm左右，然后用大姆指推动活塞销，若活塞销能依靠大姆指的力量缓缓推进连杆衬套，说明间隙合适；若大姆指刚一接触活塞销，活塞销便从连杆衬套内一穿而过，说明间隙过大；若依靠大姆指的力量推不动活塞销，说明间隙不够，还需要适当铰削。

（3）温度过高的检修

      若由于柴油发电机过热而引起活塞断裂，则应找出原因，首先检查冷却水是否充足，润滑油质量是否合格，有无漏水漏油的地方，柴油发电机运行是否长期超负荷的习惯，找到故障后及时排除。

（4）撞击现象检修

      若活塞顶部有被气门撞击的痕迹。应检查气门下沉量是否过小、气门间隙是否过小。

 

图3  柴油机连杆校正装置示意图

图4  柴油机活塞与气缸配合间隙检查

二、气门摇臂断裂的原因和检修方法

      气门摇臂折断时，汽缸盖罩内发出“咔嚓”响声，排气管冒出白烟（进气门摇臂折断），或不冒白烟（排气门摇臂折断），柴油发电机即自动停机。

1、气门摇臂折断的原因

（1）气门导管安装深度不够，弹簧上座及气门锁夹与气门导管相碰；摇臂质量不好；活塞碎裂后与气门撞击而顶坏摇臂；外来物掉进汽缸；柴油发电机发生“飞车”事故等。

（2）气门间隙或减压机构间隙调整过小，致使气门碰活塞顶；更换新气门座圈，由于座圈过高，引起气门头部沉入汽缸盖平面深度不够，致使气门头部与活塞顶部相撞；气门杆卡死在气门导管内导致摇臂折断；配气正时齿轮啮合位置不对，或齿轮键槽磨损松动，致使柴油发电机配气时间错乱。

2、技术检查步骤

      当发现有某一摇臂折断时或怀疑摇臂即将折断时，应对其他摇臂也要做技术检查，可使用裂纹检查组件（零件号 3375432）检查摇臂和轴支架有无裂纹或损坏。步骤如下：

（1）使用裂纹检查渗透剂（零件号 3375435）涂摇臂和轴支架，如图5所示。

（2）让渗透剂干燥 15 分钟，然后用干布去除过多的渗透剂，如图6所示。

（3）使用裂纹检查显色剂（零件号 3375434）涂摇臂和轴支架。

（4）用观察法检查摇臂和支架，裂纹会表现为明亮的实线；铸件中的穴蚀会表现为一个小的圆形标记。

      如果发现裂纹或穴蚀，必须更换该零件。

 

图5  柴油机零件裂纹检查渗透剂

图6  柴油机摇臂裂纹技术检测

 

3、气门摇臂断裂故障的修复

（1）检查气门导管压入深度

      拆下汽缸盖罩，首先检查气门导管压入深度是否足够，检查气门导管及气门弹簧上座、气门锁夹有无因碰撞而产生的痕迹。柴油发电机气门导管压入汽缸盖后，凸出高度（从气门弹簧下座支承面测量）应为20 mm。

① 若凸出的高度过高，气门到最大升程时，气门弹簧上座或气门锁夹容易与气门导管相撞，导致气门摇臂断裂（摇臂断裂前实物如图7所示，摇臂断裂后实物如图8所示），其后应对损坏部件进行更换。

② 若凸出的高度过低，气门处于关闭状态时，会导致气门头锥形面与导管相碰，使气门关闭不严而漏气。其后应对其进行调整。

③ 若不是由于气门导管安装过高，须拆下汽缸盖，观察有无外来物掉进汽缸。若有异物进入，其后进行清理并再次检查和验证。

（2）检查气门与活塞顶部是否相撞

      若确认相撞，应检查气门间隙或减压机构间隙是否过小，气门头部沉入汽缸盖平面深度是否过浅（沉入深度进气门为150～195 mm，排气门为0.90～1.25 mm）。若过浅，应用气门铰刀铰削。气门座凡尔线过宽、有麻点或沟槽时也可以用此方法。铰削步骤如下：

① 用45°铰刀粗铰。

② 检查气门座密封环带的宽度（标准值为1.2～1.5 mm）。

③ 如密封环带太宽且偏上，须用15°铰刀铰削气门座上口，缩小气门密封环带上方的宽度。

④ 如密封环带太宽偏下，需用75°铰刀铰削气门座下口，缩小气门座密封环带下方宽度。

⑤ 若气门头部沉入汽缸盖平面深度过浅，可加大15°铰刀铰削量，将气门座密封环带位置降低。

⑥ 用45°铰刀精铰气门座。用柴油或煤油注入进、排气道检查气门密封性。如有渗漏可用研磨砂研磨气门座。

 

图7 气门摇臂断裂后碎片形状

图8  全新气门摇臂实物图

 

三、凸轮轴断裂的原因和检修方法

 

      凸轮轴常见的故障包括锻炼，异常磨损和异响。出现异常磨损的症状都是异响和断裂之前的症状。凸轮轴断裂最常见的原因就是因为凸轮轴质量差，磨损情况严重，液压挺杆破裂和正时齿轮破裂，还有一个原因就是润滑不良，导致凸轮轴滑动起来有障碍。下面就用康明斯一款发动机的凸轮轴来举例分析出现断裂的原因。康明斯凸轮轴的是用特种铸铁共而成的，凸轮的表面和轴颈的表面温度是通过热处理工艺而来的。硬度54～60HRC，3～7mm的硬化层深，凸轮轴推片必须达到材料20钢的技术要求，温度表面要有52～63HRC，渗碳层深0.4～0.9mm。

1、故障原因

      首先要检查的一项就是发动机，要看油路畅通是否在正常工作，有没有气阻的现象。如果在供油正常的情况下，将气门室盖拆开，发现因为严重弯曲而导致气门正时错乱的顶杆，大约有3～4根左右。其中凸轮轴已经断裂，断裂的部位正好在凸轮轴安装齿轮的根部。瓦的表面没有存在烧损和脱落的现象，再将汽缸盖拆开，里面有气门冲击塞头的痕迹但不是很深，弯曲和损伤的现象在活塞连杆的检查中也看不到，缸体倒立时，表面依然完整的凸轮轴并且可以在轴孔中活动自如，弯曲和不能转动的现象根本不存在，每只都能顺利抽出。大、小瓦的配合间隙偏大主要因为大、小瓦的接触面比较黑。连杆轴颈和主轴颈都在标准尺寸范围内。可以很顺利的抽取观察是否有磨损和弯曲，气门挺柱头部圆弧面保持的也很保证。

2、磨损程度检查

      柴油发动机的安装一切都要按照大修程序和大修技术标准来严格执行，对凸轮轴和曲轴的要求就高。如果齿轮轴颈已经被磨损，那么它的直接表现是齿轮只有旋转半圈，曲轴在拆卸的时候也会有损伤的情况。所以要进行凸轮轴孔和凸轮磨损检查：

（1）凸轮磨损量

      如图9所示。用外径千分卡尺检查凸轮，凸轮高度比标准高度低0.4mm时，应修磨凸轮，低1.0mm时，用堆焊法修复。凸轮起槽或有斑点要用油石修复。

（2）轴颈的圆度和圆柱度检查

      用外径千分卡尺测量各道轴颈的圆度和圆柱度。圆度和圆柱度偏差大于0.015mm时，用磨削方法缩小尺寸修复，每级级差-0.20mm，一般可加工至-1.0mm。

（3）凸轮轴轴孔的直径检查

      使用外径测量仪或内径测量仪测量凸轮轴轴孔的直径，如图10所示。公式为：D=轴颈直径+轴颈与轴承配合间隙+轴承与座孔的配合盈量。

（4）凸轮轴轴孔的同心度

      使用同心度测量仪或三坐标测量机测量凸轮轴轴孔的同心度，确定其偏差量。

3、断裂现象分析

（1）首先要考虑的问题是是否设计强度不够而导致断裂。如果一台发动机连续工作数年，或者此型号的柴油机在别的汽车没有发生断裂情况，那就是此发动机的凸轮轴设计强度不够不恰当。

（2）拆开各部件的零件来看，在定式齿轮并没有见到冲击痕迹或异常磨损等情况，从而可以断定冲击附加应力的是否存在。

（3）凸轮轴承受的磨损量较大也会导致疲劳弯曲。垂直轴线是导致凸轮轴弯曲疲劳的裂纹。

（4）导致凸轮轴断裂的还有一个原则是，凸轮轴在被气门与活塞头头部逼住，致使凸轮轴的旋转速度也有所减慢，虽然发动机已经熄火，但是发动机的惯性致使凸轮轴还在不停的转动，较大的扭矩情况在就齿轮在凸轮轴上依然不断的高速运转的情况下产生了。从而就产生了凸轮轴断裂的情况。

4、故障处理对策

（1）应该尽量减少凸轮轴的磨损程度才是最关键，凸轮轴在导致弯曲断裂是在气缸盖轴承孔发生严重磨损的时候，就要跟换其凸轮轴，但如果不停的更换凸轮轴，不仅会使凸轮轴的寿命降低，对柴油发动机的影响也很不好。

（2）从凸轮轴的结构上来分析，整体的扭杆轴是在旋转和传递扭矩的情况下变成的，气门在弯曲负荷工作情况下，凸轮轴应该发挥好它的作用，要承受气门弹簧施加的弯曲载荷，用分段的机构来保证凸轮轴的弯曲刚性，将主轴颈分成不同的段位。

（3）如果想使凸轮轴的疲劳断裂情况有所降低，选用45号刚为凸轮轴的材料，前提是要考虑凸轮轴的实际情况和工作条件。在凸轮及支承轴颈外圆面机部分加工感应淬火，而未加工的毛坯面应在轴颈，凸轮及支撑轴颈断面部分，毛坯面上有脱碳现象在断裂处表面，而脱碳层可以缓解疲劳断裂处最为严重的地方。

（4）对凸轮轴的维护时间也要恰当，应定时的对发动机以及凸轮轴保养维修，使其工作性能的作用发挥的更好。

       新的曲轴在安装的时候一定考虑好定位因素，不能产生松动或过紧的情况，要把齿轮敲打金曲轴齿轮的轴颈上。最后将发动机的一切材料都给组装完毕，实验发动机是否可以正常启动，如果可以正常启动那么发动机没有问题。

 

图9  凸轮和凸轮轴颈最大直径的测量

柴油机凸轮轴孔内径的测量

 

总结：

     综上所述，柴油发动机气门机构中的活塞、摇臂、凸轮轴断裂产生故障原因应为长期的转动而产生的断裂，还有异常的摩擦磨损也不断程度的损害到了气门机构的工作性能，通常都是因为承受了异常的附加弯矩，磨损破坏了原有的结构刚性，所以要防范这种情况的发生，就要在起步的时候就选择性能较好的材料，经常检查气门机构的运转情况，减少断裂故障的发生。此外，柴油发电机工作时，除了会发生一些常见故障外，有时还会发生相当严重的、少见的事故性损坏故障，给柴油发电机使用带来重大损失，也威胁着操作者的人身安全。因此，了解这些故障产生的原因，使用中注意预防，对减少损失，保证作业安全意义重大。

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