故障檢查與技術(shù)維護(hù)

康明斯柴油發(fā)電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)和檢測裝置

 

摘要：曲軸是柴油發(fā)動機(jī)上重要的零部件，曲軸的成本大約占整機(jī)成本的十分之一，因此也是柴油機(jī)中最貴的零件。它的作用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，將活塞是直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，用以驅(qū)動柴油機(jī)的傳動系統(tǒng)和配氣機(jī)構(gòu)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(qiáng)度是曲軸設(shè)計的首要問題。曲軸各軸頸的尺寸還應(yīng)滿足軸承承壓能力和潤滑條件的要求。

 

一、曲軸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

1、主軸頸與連桿軸頸

      柴油發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)。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(yōu)點(diǎn)是可以減少旋轉(zhuǎn)質(zhì)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(nèi)，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，將機(jī)油中密度大的金屬磨屑及其他雜質(zhì)甩向空腔的外壁，內(nèi)側(cè)干凈的機(jī)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(yīng)使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。

3、平衡重

      平衡重通常設(shè)在與連桿軸頸相對的一側(cè)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(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)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(fā)電機(jī)曲軸前端設(shè)有啟動爪，另有一些高速柴油發(fā)電機(jī)曲軸前端裝有扭轉(zhuǎn)減振器，還有些工程機(jī)械用柴油發(fā)電機(jī)的曲軸前端設(shè)有動力輸出裝置。

5、曲軸的后端

      一般曲軸的后端設(shè)有油封、回油螺槽、后凸緣等結(jié)構(gòu)。曲軸后端的尾部伸出機(jī)體外，以便將柴油發(fā)電機(jī)的功率輸送給配套機(jī)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(fā)動機(jī)曲軸的幾何結(jié)構(gòu)

圖2  曲軸組成部分結(jié)構(gòu)圖

 

二、曲軸的工藝要求

      曲軸的受力是復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)的疲勞強(qiáng)度和剛度；軸頸應(yīng)有足夠大的承壓表面和耐磨性。

1、設(shè)計要求

      曲軸基本上由若干個單元曲拐構(gòu)成。一個曲柄銷，左右兩個曲柄臂和左右兩個主軸頸構(gòu)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(shù)、氣缸排列形式和發(fā)動機(jī)工作順序。

（1）有足夠的疲勞強(qiáng)度；

（2）有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨；

（3）盡量減少應(yīng)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(shù)采用模段制造；鍛造后進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，然后在各軸頸表面實施感應(yīng)加熱表面淬火。鋼曲軸也可以進(jìn)行滲氮處理，以提高疲勞強(qiáng)度。

（2）合金鋼：在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動機(jī)中采用。

（3）球墨鑄鐵：在強(qiáng)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(zhuǎn)振動的幅值。

      在曲軸設(shè)計中，曲軸的結(jié)構(gòu)、材料、工藝三因素各自有獨(dú)立規(guī)律，且相互影響。其主要參數(shù)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(shù)和精度

 

三、曲軸檢測

1、軸頸的圓度和圓柱度測量

      發(fā)動機(jī)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(yù)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(cè)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(cè)得的最大與最小直徑差的一半則為軸頸的圓柱度誤差。當(dāng)曲軸軸頸的圓度和圓柱度誤差超過磨損極限時，應(yīng)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(zhuǎn)動曲軸一周，百分表上指針的最大與最小讀數(shù)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(shù)差值之半做為直線度誤差或彎曲度值)；發(fā)動機(jī)曲軸的直線度誤差不大于0.03mm，否則進(jìn)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(jī)上進(jìn)行。

      將曲軸放在壓力機(jī)工作平板的V型塊上；在壓力機(jī)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(yīng)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(fù)進(jìn)行，直到符合要求。曲軸校正需進(jìn)行時效處理，即將曲軸放置10~15天，再重新檢校，或?qū)⒗鋲汉蟮那S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(yīng)更換第三道主軸承兩側(cè)的半圓止推環(huán)。

4、曲軸徑向間隙的檢測

      已裝好的發(fā)動機(jī)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(yīng)為0.03～0.08mm ，磨損極限值為 0.17mm 。超過磨損極限時，應(yīng)對相應(yīng)軸承進(jìn)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(nèi)，可通過磨削磨掉，否則應(yīng)予以報廢。

（2）發(fā)動機(jī)曲軸圓度、圓柱度誤差大于0.025mm時，應(yīng)按修理尺寸磨修。

（3）發(fā)動機(jī)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(zhì)不同，冷壓校正時操作要求不同，注意防止曲軸折斷或出現(xiàn)新的裂紋。

（5）注意區(qū)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(biāo)之間的關(guān)系。

（6）測量曲軸軸頸尺寸及圓度、圓柱度誤差時，應(yīng)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(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)曲軸破壞主要是彎曲疲勞破壞，現(xiàn)在曲軸強(qiáng)度計算絕大部分采用有限元計算方法，且有很多現(xiàn)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(qiáng)度的措施。在載荷不變的條件下，要提高曲軸抗彎強(qiáng)度就應(yīng)設(shè)法降低應(yīng)力集中；適當(dāng)減小單拐中間部分的彎曲剛度，使應(yīng)力分布較為均勻。 

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