故障檢查與技術維護

康明斯柴油發電機主軸結構和檢測裝置

 

摘要：曲軸是柴油發動機上重要的零部件，曲軸的成本大約占整機成本的十分之一，因此也是柴油機中最貴的零件。它的作用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉變為轉矩，將活塞是直線運動轉化為旋轉運動，用以驅動柴油機的傳動系統和配氣機構以及其他輔助裝置。曲軸最常見的損壞原因是彎曲疲勞，所以保證曲軸有足夠的彎曲疲勞強度是曲軸設計的首要問題。曲軸各軸頸的尺寸還應滿足軸承承壓能力和潤滑條件的要求。

 

一、曲軸結構組成

 

       曲軸主要由主軸頸、連桿軸頸（曲柄銷）、曲柄臂、平衡重（并非所有曲軸都有）、前端（自由端）和后端（功率輸出端）等組成。曲軸幾何圖如圖1所示，結構如圖2所示。

1、主軸頸與連桿軸頸

      柴油發電機的主軸頸與連桿軸頸都是尺寸精度較高和粗糙度較低的圓柱體，它們以較大的圓弧半徑與曲柄臂相連接。主軸頸是用來支承曲軸的，曲軸繞主軸頸中心高速旋轉。主軸頸多為實心的，而球墨鑄鐵的曲軸主軸頸與連桿軸頸大多是空心的，其優點是可以減少旋轉質量，從而減少其離心力；同時可作為潤滑油離心濾清的空腔。主軸頸與連桿軸頸采用壓力潤滑，潤滑油通過曲柄臂中的斜油道被壓送至連桿軸頸空腔內，在旋轉離心力的作用下，將機油中密度大的金屬磨屑及其他雜質甩向空腔的外壁，內側干凈的機油通過油管流到連桿軸頸及軸承摩擦表面。

2、曲柄臂

      曲柄臂簡稱“曲柄”，它的作用是連接主軸頸與連桿軸頸，通常制成橢圓形或圓形，其厚度與寬度應使曲軸有足夠的剛度和強度。

3、平衡重

      平衡重通常設在與連桿軸頸相對的一側曲柄臂上，其形狀多為扇形。平衡重的作用是平衡連桿軸頸及曲柄臂的重量、離心力及其力矩，以減輕主軸承的載荷，增加運轉的平穩性。

4、曲軸的前端

      曲軸的前端制成有臺肩的圓柱形。其上分別裝有正時齒輪、擋油圈、油封、帶輪和止推片等零件。有些中小功率柴油發電機曲軸前端設有啟動爪，另有一些高速柴油發電機曲軸前端裝有扭轉減振器，還有些工程機械用柴油發電機的曲軸前端設有動力輸出裝置。

5、曲軸的后端

      一般曲軸的后端設有油封、回油螺槽、后凸緣等結構。曲軸后端的尾部伸出機體外，以便將柴油發電機的功率輸送給配套機具的傳動裝置。后端多裝有飛輪，通過花鍵或凸緣與其相配，然后用螺栓固緊。山于飛輪尺寸大而重，因此對螺栓的緊固有一定的要求。

 

圖1  發動機曲軸的幾何結構

圖2  曲軸組成部分結構圖

 

二、曲軸的工藝要求

      曲軸的受力是復雜的，它在周期性變化的氣體力、慣性力及其力矩的共同作用下工作，承受彎曲和扭轉交變載荷（主要受力部位如圖3所示）。因此，要求曲軸有足夠的抗彎曲、抗扭轉的疲勞強度和剛度；軸頸應有足夠大的承壓表面和耐磨性。

1、設計要求

      曲軸基本上由若干個單元曲拐構成。一個曲柄銷，左右兩個曲柄臂和左右兩個主軸頸構成一個單元曲拐。各曲拐的相對位置或曲拐布置取決于氣缸數、氣缸排列形式和發動機工作順序。

（1）有足夠的疲勞強度；

（2）有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨；

（3）盡量減少應力集中；

（4）剛度好，變形小。

2、材料要求

（1）中碳鋼：如45＃，絕大多數采用模段制造；鍛造后進行正火或調質處理，然后在各軸頸表面實施感應加熱表面淬火。鋼曲軸也可以進行滲氮處理，以提高疲勞強度。

（2）合金鋼：在強化程度較高的發動機中采用。

（3）球墨鑄鐵：在強度和剛度要求一定是，使用球墨鑄鐵材料能減少制造成本，且其阻尼特性能減小扭轉振動的幅值。

      在曲軸設計中，曲軸的結構、材料、工藝三因素各自有獨立規律，且相互影響。其主要參數和精度如圖4所示。

圖3  曲軸和軸承表面的壓力分布圖

圖4  曲軸基本參數和精度

 

三、曲軸檢測

1、軸頸的圓度和圓柱度測量

      發動機工作時，由于曲軸主軸頸及連桿軸頸各個部位所受的載荷、潤滑情況不同，磨損是不均勻的。磨損后，在徑向會成為橢圓形，在軸向會成為錐形。因此，測量曲軸的主軸預及連桿軸頸的直徑。如圖5所示，用千分尺在各道軸頸的I、II兩個位置和A、B兩個方向測量其直徑，在A, B兩個方向上所側得的最大與最小直徑差的一半即為軸頸的圓度誤差，而在I、 II位置上所側得的最大與最小直徑差的一半則為軸頸的圓柱度誤差。當曲軸軸頸的圓度和圓柱度誤差超過磨損極限時，應修磨曲軸。 

2、彎曲變形的檢驗

      如圖6所示。將曲軸的兩端用V型塊支承在檢測平板上；用百分表的觸頭抵在中間主軸頸表面；轉動曲軸一周，百分表上指針的最大與最小讀數之差，即為中間主軸頸對兩端主軸頸的徑向圓跳動誤差(通常也用指針的最大與最小讀數差值之半做為直線度誤差或彎曲度值)；發動機曲軸的直線度誤差不大于0.03mm，否則進行冷壓校正或更換曲軸。

      曲軸的冷壓校正：曲軸冷壓校正通常在壓力機上進行。

      將曲軸放在壓力機工作平板的V型塊上；在壓力機的壓桿與曲軸軸頸之間墊以銅皮，防止壓傷曲軸軸頸工作表面；對于鋼制曲軸，壓彎量應為曲軸彎曲量的10~15倍，并保持1.5～2分鐘后再釋放。彎曲變形較大時需多次反復進行，直到符合要求。曲軸校正需進行時效處理，即將曲軸放置10~15天，再重新檢校，或將冷壓后的曲軸加熱至300℃~500℃，保持1～1.5h；對于球墨鑄鐵曲軸，壓校變形量不得大于變形量的10倍。

3、曲軸軸向間隙的檢測

      將曲軸撬向一端，用塞尺檢查第三道主軸承的軸向間隙（配合間隙），新的軸承軸向間隙為 0.07 ～ 0.17mm , 磨損極限值為 0.25mm 。軸向間隙超過極限值時，應更換第三道主軸承兩側的半圓止推環。

4、曲軸徑向間隙的檢測

      已裝好的發動機可用塑料間隙測量片檢查徑向間隙。

      如圖7所示。拆下曲軸主軸承蓋，使用百分表測量徑向間隙。新軸承徑向間隙應為0.03～0.08mm ，磨損極限值為 0.17mm 。超過磨損極限時，應對相應軸承進行更換。

5、注意事項

（1）曲軸軸頸表面不允許有橫向裂紋，可采用探傷法，如圖8所示。對橫向裂紋，其深度如在軸頸修理尺寸以內，可通過磨削磨掉，否則應予以報廢。

（2）發動機曲軸圓度、圓柱度誤差大于0.025mm時，應按修理尺寸磨修。

（3）發動機曲軸軸頸修理分為三級修理尺寸，每0.25mm為一級。

（4）曲軸的材質不同，冷壓校正時操作要求不同，注意防止曲軸折斷或出現新的裂紋。

（5）注意區分軸頸徑向圓跳動誤差、曲軸軸線的直線度誤差及彎曲度等指標之間的關系。

（6）測量曲軸軸頸尺寸及圓度、圓柱度誤差時，應與油孔錯開。

 

圖5  主軸頸圓柱度測量	圖6  曲軸彎曲變形的檢驗
圖7  曲軸徑向間隙的檢測	圖8  曲軸探傷工裝裝置

 

總結：

      柴油發電機曲軸破壞主要是彎曲疲勞破壞，現在曲軸強度計算絕大部分采用有限元計算方法，且有很多現成的工程分析軟件，如ansys，pro/e，UG等。因此，需要提高曲軸疲勞強度的措施。在載荷不變的條件下，要提高曲軸抗彎強度就應設法降低應力集中；適當減小單拐中間部分的彎曲剛度，使應力分布較為均勻。 

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