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技術維修與康明斯知識 |
檢查和安裝柴油發電機連桿螺栓的方法 |
摘要：檢修連桿螺栓時，維修人員會發現連桿螺栓有的存在很多問題，會有外觀問題、公差長度問題、斷裂問題、牙螺紋問題，安裝時所發現的問題等等。很簡單的方法，就是對連桿螺栓進行檢驗，找出問題的所在從而改成它。那對連桿螺栓檢驗需要方法，連桿螺栓是連接連桿大端軸承座與軸承蓋使之成一體的重要連桿螺栓。連桿螺栓受到裝配時的預緊力的作用，四沖程柴油發電機運轉時連桿螺栓還受到往復慣性力的作用。連桿螺栓的直徑較小，因其受到曲柄銷直徑和連桿大端外廊尺寸的限制。
一、連桿螺栓技術要求
連桿螺栓是連接連桿大端和連桿蓋的承載較高的重要連接連桿螺栓，也是柴油機的重要緊固件。為預防連桿螺栓松動、斷裂引起搗缸事故，必須正確選用與裝配。其外觀如圖1所示，結構尺寸如圖2所示。
1、工作條件
（1）預緊力、往復慣性力的拉伸（四沖程發動機機）；
（2）附加應力：變形引起；
（3）尺寸受限。
2、要求
（1）韌性好、強度高材料；
（2） 優質合金鋼材料，低速柴油機中才用優質碳鋼材料。
3、結構形式（柔性結構，提高抗疲勞強度）
（1）連桿大端，桿身有兩段定位凸肩；
（2）高速柴油機機僅一段或無凸肩。
4、連桿螺栓的選用
（1）連桿螺栓是用優質合金鋼經調質處理和精密加工制成，有較高的強度和韌性，在螺紋等級、形位公差等方面要求嚴格，是一種專用連桿螺栓，不可用普通連桿螺栓代替。
（2）對于使用過的連桿螺栓，安裝前應進行認真檢查。發現連桿螺栓上有劃痕、滑扣、裂口、凹痕、裂紋，或螺母裝在連桿螺栓上有松弛現象，或連桿螺栓不能與連桿螺栓孔緊密配合，或連桿螺栓頭支承面不能緊貼連桿端蓋，或連桿螺栓長度比標準連桿螺栓長度長2%的，都應予以更換。
（3）當柴油機發生飛車或咬缸事故后，由于受額外附加應力的作用，應考慮更換連桿螺栓。當柴油機多次燒瓦或一次嚴重燒瓦，連桿螺栓材料受高溫退火作用時，應予更換。另外，當柴油機工作5000~7000小時后，即使連桿螺栓外表無明顯損傷，也應更換新件，以防疲勞斷裂。
（4）當某根連桿螺栓有滑扣、裂損或斷裂時，不管另一根是否完好，都應成對更換，不得新舊搭配。
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圖1 連桿螺栓外觀示意圖 |
圖2 常規連桿螺栓結構尺寸示意圖 |
二、連桿螺栓的擰緊力矩和計算
連桿包括連桿桿體、連桿桿體兩端的大頭孔和小頭孔，如圖3所示。在大頭孔上的預制裂紋，漲斷后大頭端蓋與連桿桿體的連接連桿螺栓，其漲斷后大頭端蓋與連桿桿體的連接連桿螺栓采用四個十二角頭連桿螺栓連接，如圖4所示。在大頭端蓋的兩側，每側兩個十二角頭連桿螺栓沿軸向并排排列。由大頭孔內壁至小頭孔內壁連通一個縱向貫穿連桿桿體的油道孔，在小頭孔內壁設貫穿軸向的V型潤滑槽。在大頭孔的預制裂紋處設激光漲斷溝槽。在小頭孔內設與小頭孔匹配的襯套嵌于小頭孔內，V型潤滑油槽在襯套上，襯套上有油道孔的出口。
柴油機曲柄連桿機構的作用是將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸，以輸出功率。連桿在工作時作平面運動，承受活塞銷傳來的氣體作用力以及其本身擺動和活塞組往復運動時的慣性力。這些力的大小和方向都是周期性變化的。柴油機的連桿大頭與曲軸連桿軸頸的連接是靠連桿螺栓來實現的，所以連桿螺檢所承受的載荷是交變載荷。為了保證連桿大頭結合面在工作時不分離，連桿螺栓在裝配時應有足夠的預緊力（P0）。此力由兩個部分組成：一部分為使軸瓦緊貼瓦座所需的預緊力；另一部分為防止連桿和大頭蓋結合面在工作載荷作用下脫開所需的預緊力。這兩部分力對連桿螺栓都造成拉力。
由此可見，在交變拉伸載荷作用下，如作用在連桿螺栓上的最大拉伸載荷大于連桿螺栓的預緊力（P0）,連桿桿身和大頭蓋接合面就會因不斷的分離而相互沖擊，造成連桿螺栓的疲勞破壞。同時，該載荷也使軸瓦與軸頸之間的配合時緊時松，產生沖擊，造成軸瓦破壞。由以上分析可知，連桿螺栓預緊力不能太小，但也不能太大，否則可能引起連桿螺栓過大的拉伸變形，甚至斷裂。為保證聯接的可靠性，必須在裝配連桿螺栓時對預緊力嚴加控制，即嚴格地按照原廠所規定的標準擰緊力矩擰緊；無原廠標準時，可參照表1所示的擰緊力矩擰緊。
表1 連桿螺栓擰緊力矩（N.m）
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連桿螺栓材料
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連桿螺栓直徑（mm）
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鋼號
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硬度
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6
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8
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10
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12
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14
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16
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18
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20
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35
45
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HB255~285
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6~8
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18~23
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32~42
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55~70
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90~110
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140~170
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200~230
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280~320
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40Cr
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HRC33~39
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10~12
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22~26
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46~54
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75~95
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140~170
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160~220
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230~280
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340~390
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連桿螺栓擰緊力矩（M）的近似計算公式為：
M≈f·P0·d
式中，d——連桿螺栓螺紋的外徑mm；F——連桿螺栓與支承座表面間摩擦系數，支承座表面不光滑、無潤滑油時f≈0.2,支承座表面光滑、有潤滑油時f≈0.1。
由公式可知，摩擦系數f對擰緊力矩有很大的影響，為在一定的擰緊力矩下達到需要的預緊力，在裝配工作中擰緊連桿螺栓時必須對有關部位的摩擦狀況予以考慮。
摩擦系數f是隨條件而變化的，它受螺紋表面及支承座表面粗糙度、表面間有無潤滑劑、擰緊速度、擰緊工具、反復擰緊時的溫度等不穩定因素的影響。因此，在裝配連桿螺栓時，必須對上述諸項不穩定因素進行嚴格控制，以求達到需要的預緊力。如裝配時不注意上述問題就可能發生連桿螺栓松動，甚至斷裂，釀成整機破壞的嚴重事故。
柴油機經多次維修之后，由于多次拆裝，連桿大頭蓋或螺母鎖墊支承面會出現嚴重的損傷，使得擰緊時的摩擦阻力矩成倍增長；特別是當磨損呈凹凸的曲面時，因正壓力增大，摩擦力的增加更為顯著。連桿螺栓的螺紋也可能出現損傷和變形，使連桿螺栓擰緊時摩擦力增大。按照規定擰緊力矩所擰緊的連桿螺栓可能得不到所需要的預緊力，連桿桿身與大頭蓋接合面在正常負載下可能松動。
無論各有關零件的摩擦表面是否已經損傷，在裝配時都應涂抹潤滑油脂。在擰緊連桿螺栓時，不能用力過猛或突然用力，否則，都會使扭力扳手的讀數不準確，容易造成連桿螺栓“過力”現象。
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圖3 康明斯柴油機連桿零件圖 |
圖4 十二角頭四連桿螺栓連桿示意圖 |
三、連桿螺栓斷裂原因、檢測方法及安裝
檢修中不可隨意調換連桿螺栓與其原裝配孔的關系，因為連桿螺栓與裝配孔是過渡配合，需用小錘輕輕敲入連桿螺栓，隨意調換將影響配合關系，過緊、過松均影響連桿螺栓的可靠工作。連桿螺栓常見的易斷部位如圖5所示。
1、連桿螺栓導致斷裂的故障原因
（1）裝配時扭緊力矩過大，用力不均勻。
由于裝配中沒有嚴格的配用扭力扳手，具體扭緊力矩又不太了解，認為越緊越好;緊固連桿螺栓用較長的加力桿，扭緊力矩過大，超過了連桿螺栓材料的屈服極限，使連桿螺栓出現屈服變形，使之在沖擊載荷的作用下因過度的伸長而斷裂。應強調的是，一定要按標準扭緊連桿螺栓，千萬不能認為越緊、力量越大越好。
（2）連桿分多種級別，在檢修中應注意不能換用不同級別的連桿。
如果在檢修中由于馬虎不仔細將連桿蓋搞亂、錯裝，會造成連桿大頭結合面的配合不緊密，在柴油機運行中會造成連桿蓋松動而導致連桿螺栓的斷裂。
（3）在運行中出現飛車故障或活塞在氣缸內燒死的故障，將連桿螺栓拉斷。
如果柴油機在使用中出現過飛車的故障，應對柴油機做一次全面檢查，最好更換連桿螺栓；如果在運行中個別氣缸出現過較嚴重的拉缸，在更換氣缸活塞組件時也應將連桿螺栓更換。
（4）材質問題、加工缺陷及熱處理工藝問題也會導致連桿螺栓在柴油機運行中出現斷裂。
2、連桿螺栓的檢測
（1）檢查連桿螺栓的最小直徑。對于6BT行柴油發電機連桿螺栓，如直徑小于13.72mm，則應予以更換。
（2）連桿螺栓或螺母的螺紋已損壞時，應予以報廢。
（3）螺孔中的導向孔徑。如果連桿的導向孔徑大于15.88mm，應予以報廢。
（4）檢查裝連桿螺栓凸臺的圓角。連桿螺栓凸臺應有半徑為1.14～1.40mm的圓角。修磨圓角最大允許切削量為1.587mm。加工后應去除凸臺上所以銳角。
3、連桿螺栓安裝及注意事項
為了防止連桿螺栓安裝不當引起變形或斷裂，安裝時應注意以下幾點：
（1）安裝前
認真進行外觀檢查，并檢驗連桿螺栓與螺母的配合情況，應無卡阻和松動現象。安裝前先用清潔柴油或汽油洗去連桿螺栓及螺母內污物，以免降低其擰緊力。連桿螺栓與連桿螺母最好成套使用，不得互換，以免降低配合精度。
（2）預擰緊方法
上緊連桿螺栓的方法和預緊力的大小均應按柴油發電機說明書的規定進行。因為預緊力的過大或過小、各連桿螺栓的預緊力不均勻等均不能保證其工作的可靠性。為保障連桿總成加工后的尺寸精度符合產品要求，必須在連桿總成加工前連桿螺栓處于加力擰緊狀態，因此，連桿螺栓的裝配擰緊工序也就顯得十分重要。
連桿螺栓的裝配擰緊工序分為預擰緊和終擰緊兩個工步，預擰緊有兩個作用：一是為終擰緊作準備；二是檢驗連桿體、蓋螺紋孔尺寸是否合格，是否有爛牙，是否有鐵屑和異物等現象存在。
預擰緊通常采用氣動擰緊槍上力，通過連接在氣動擰緊槍上的標準內梅花套筒和連桿螺栓梅花頭充分嚙合，在氣動擰緊槍轉動的過程中帶動連桿螺栓旋入連桿螺紋孔（氣動擰緊槍的力為0.1-0.3MPa），使連桿螺栓法蘭面和連桿蓋凸臺面A貼合，到此預擰緊工作完成。
（3）擰緊連桿螺栓的要領
安裝軸瓦后，裝入柴油機。使用扳手進行擰緊連桿螺栓時，用力矩扳手按規范力矩值上緊連桿螺栓，2根連桿螺栓擰緊順序：①一②一①；4根連桿螺栓擰緊順序：①一④一②一③一①，如圖6所示。
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圖5 連桿螺栓易斷裂部位 |
圖6 連桿螺栓擰緊順序 |
總結：
裝配時，應用扭力扳手將連桿螺栓交替均勻，擰至規定扭矩。各機型柴油機的連桿螺栓扭矩標準不盡相同，在缺乏技術資料的情況下，可根據連桿螺栓直徑估算其安全扭矩范圍。擰連桿螺栓時若發現同一連桿上某一連桿螺栓扭矩超過規定值過多，應將該連桿上的兩只連桿螺栓全部擰松后重新擰緊，而不應僅僅松退擰得過緊的那只連桿螺栓，否則會使連桿螺栓受力不均。若連桿螺栓擰緊后轉不動曲軸，應查找原因，切不可擰松連桿螺栓。當連桿軸頸的圓度過大及軸承與軸頸配合間隙過大時，連桿螺栓在工作中會受到交變沖擊應力，易過早疲勞折斷，因此，必須先修磨軸頸，再更換連桿螺栓。
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