故障檢修與技術維護

柴油發電機的曲軸拆卸和安裝要點

 

導讀：曲軸是柴油發電機的曲柄飛輪組中最重要的零部件，其主要作用是通過連桿將柴油發電機氣缸內活塞的直線運動轉化為旋轉運動，以及把活塞做的功轉變為轉矩通過曲軸輸出。曲軸的工作環境惡劣，在工作時，曲軸承載著氣體力、往復慣性力和旋轉慣性力以及它們產生的力矩，這些載荷和產生的振動使曲軸承受復雜的扭轉和彎曲應力。因此，要求曲軸具有足夠的剛度、強度和尺寸精度。本文內容主要分享關于康明斯柴油發電機曲軸結構組成、影響壽命的因素、以及加工、拆卸和安裝方法。

 

一、曲軸的結構組成

 

      柴油發電機的曲軸主要由主軸頸、連桿軸頸（又稱曲柄銷）、曲柄臂、平衡重塊、前端及后端等部分組成，3D外觀如圖1所示，結構示例如圖2所示。

1、主軸頸和連桿軸頸

      主軸頸與連桿軸頸都是尺寸精度較高的圓柱體，它們與曲柄臂相連接，組成曲柄。主軸頸是用來支撐曲軸的，曲軸繞主軸頸中心高速運轉。連桿軸頸則是用來與連桿大端相連接的。
曲柄臂:曲柄臂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。平衡重塊，平衡重塊通常設在與連桿軸頸相對的一側曲軸臂上，形狀多為扇形。平衡重塊的作用是平衡連桿軸頸及陸柄臂的重量、離心力及其力矩，以減輕主軸承的負荷，增加運轉時的平衡性能。

2、曲軸前端

      曲軸的前端裝有皮帶輪，用以安裝直接或間接驅動風扇、水泵及充電機等的皮帶。它上面還裝有正時齒輪、油封等。

3、曲軸后端

      曲軸后端裝有法蘭盤，用螺栓緊固連接飛輪，還設置有油封、回油槽等。

4、主軸承和連桿軸承

      主軸承和連桿軸承用來與主軸頸和連桿軸頸形成良好的摩擦副，以減少摩擦損失。大部分柴油發電機采用摩擦表面有耐磨合金層的滑動軸承。此軸承做成剖分式，俗稱軸瓦。上軸瓦和下軸瓦之間用主軸承螺栓固緊，在軸瓦中還有油孔和油槽，并與主軸頸中的油孔相通，潤滑油從孔內流通，以強制潤滑主軸承摩擦表面和連桿軸頸摩擦表面。另外，現在有許多柴油發電機的主軸承采用滾動軸承，這樣做的結果使主軸承的潤滑由壓力式潤滑變成了飛濺式潤滑，減少了潤滑油管路，但是使用滾動軸承會使柴油發電機的工作噪音有所增加，使用耐磨合金軸瓦可以有效地降低曲軸轉動時的噪音，但是必須增加主軸承的潤滑強度。

5、飛輪

      飛輪的主要作用是存儲做功沖程產生的能量，克服其他沖程的阻力，以保持曲軸旋轉的連續性和均勻性，使柴油發電機運轉平穩。飛輪多是由灰口鑄鐵或球墨鑄鐵制成的大圓盤，輪邊尺寸寬而厚，這是因為在重意一定的情況下，可獲得較大的轉動慣量。飛輪在輪邊刻有第1缸活塞位于上止點的標記，可根據此標記調整柴油發電機的配氣正時、供油或點火提前角。

 

圖1  柴油機曲軸3D模型圖

圖2  柴油發電機曲軸結構圖

 

二、影響曲軸壽命的因素和預防措施

1、不平衡載荷的影響

（1）不平衡重量。

      在磨曲軸時，連桿軸頸尺寸變小后，與原始出廠相比，重量會減小。

（2）不平衡力臂

      曲軸彎曲所采用的磨主軸頸的方法來保證各個主軸頸的同心度工藝，會導致主軸重量減小，主軸軸線向曲柄方向平移，產生不平衡力臂。

（3）不平衡轉矩

      不平衡重量和不平衡力臂導致不平衡轉矩產生。曲軸旋轉運動時，不平衡轉矩加劇了曲軸的扭振作用。 在柴油發電機曲軸的修理過程中，不平衡離心力對曲軸的工作影響不可忽視，應想辦法消除不平衡離心力對曲軸壽命的影響。

2、扭振臨界轉速的影響

      柴油發電機運轉時，曲軸系統受到大小和方向周期性變化著的氣體壓力和運動零件慣性力的作用，這些力會使曲軸相對于飛輪發生扭轉變形而引起扭振，即強制振動。柴油發電機運轉時，易在工作轉速范圍內發生強烈共振，發生共振時的曲軸轉速即臨界轉速，輕則引發較大的噪聲，加劇與曲軸相連齒輪系的磨損，重則使曲軸扭斷。柴油發電機曲軸的自振頻率是8000次／min左右，當柴油發電機的轉速為臨界轉速的某一分數時，曲軸的扭振振幅也可以超出允許限度。如果柴油發電機工作過程中，把其轉速設置在主臨界轉速次臨界轉速這兩個轉速附近，對曲軸來說都是比較危險的。

3、修理方法不當的影響

（1）滲氮層厚度的減少

      原廠的柴油發電機曲軸頸表面經氮化處理，具有較高的耐磨性。經過磨修后，軸頸表面滲氮層的厚度減少，降低了曲軸的抗疲勞性和耐磨性。

（2）未進行動平衡調試

      曲軸經過磨修或矯直后，若不進行動平衡調試，未使不平衡載荷得到有效控制，曲軸的疲勞強度會大大降低。

（3）過渡圓角變小

      經過磨修后的曲軸，各個過渡圓角半徑R比設計圖紙上標注的小，致使曲軸過渡圓角處應力集中加大，易促成曲軸在此產生初始微觀裂紋。

4、局部結構不合理的影響

      主要原因是連桿軸頸表面油道口的位置及油道方向不當，致使在局部形成的油膜質量變差，導致曲軸的連桿軸頸內側磨損大，軸頸橢圓度超差，從而磨修曲軸，進而導致不平衡載荷的產生。尤其是當活塞處于膨脹做功下行過程中，連桿軸頸旋轉到某特定位置時，使其承載寬度變小，單位面積上承受的壓力相對較高，油膜易遭破壞；其次，當連桿大頭中心旋轉至主軸軸線以下位置時，連桿軸瓦內表面相對連桿軸頸表面滑動速度較低，油膜厚度變薄，均使軸頸表面產生磨損；油道方向不當也降低了潤滑油的相對流動速度，致使所形成的油膜質量變差。除此之外，曲軸意外負荷突增、沖擊、使用維護不當，均可促成曲軸斷裂。

5、預防曲軸磨損傷的措施

（1）設置柴油發電機工作轉速時，避開臨界轉速，主臨界轉速和次臨界轉速。

（2）改變連桿軸頸表面油道口位置和油道方向。當連桿軸頸表面承受連桿較大的單位面積作用力時，避免油道口附近表面處于較高壓力位置；通過改變油道方向提高潤滑油的相對流動速度，從而改善連桿軸頸內側磨損大的現象。避免在一次大修周期內連桿軸頸偏磨或減小連桿軸頸偏磨，就可以在大修時按照修理標準要求不磨曲軸或減少磨削量。

（3）加大過渡圓角半徑。使得R/D>0.05或R=0.05～0.06D（R—圓角半徑，D—主軸直徑或連桿軸徑），減小有效應力集中系數。

（4）滲氮。磨軸磨削量超過一定厚度后，進行表面滲氮處理，以增加曲軸的耐磨性和抗擠強度。

（5）做動平衡試驗并配重。每次曲軸磨修完后，做動平衡試驗并配重，保證大修質量。

（6）嚴格認真執行柴油發電機使用、維護、修理相關標準與規定。

 

三、曲軸拆卸、安裝及加工方法

 

1、曲軸拆卸步驟

      拆裝曲軸需要扳手、套筒、扭力扳手、拉桿、螺栓等工具。檢查工具狀態確保不會損壞螺紋。以四缸機為例，曲軸拆卸的具體方法如下：

（1） 將汽缸體倒置在工作臺上,旋松飛輪緊固螺釘， 拆卸飛輪（飛輪較重， 拆卸時注意安全）。

（2）拆卸正時鏈輪，首先松開張緊輪，取下鏈輪時注意鏈輪上的正時標志和傳動方向。

（3）拆卸曲軸前端及后端密封凸緣及油封。

（4）拆下曲軸主軸承蓋緊固螺栓，不能一次全部擰松，必須分次從兩端到中間逐步擰松， 取下主軸承蓋。 注意： 各缸主軸承蓋有裝配標記， 不同缸的主軸承蓋及軸瓦不能互相調換。

（5）抬下曲軸，再將主軸承蓋及墊片按原位裝回，并將固定螺釘擰入少許。注意曲軸推力、軸承的定位及開口的安裝方向。

2、曲軸的加工步驟

      以康明斯NT855系列柴油機曲軸為例，樣品如圖3所示，加工部位如圖4所示。

（1）對柴油發電機曲軸的主軸頸和連桿頸進行粗車，控制粗車后的主軸頸直徑和連桿頸直徑；

（2）對連桿頸精車，控制精車后的連桿頸直徑；

（3）對主軸頸進行半精磨，控制半精磨后的主軸頸直徑和開檔寬度；

（4）對連桿頸進行半精磨，控制半精磨后的連桿頸直徑和開檔尺寸；

（5）在主軸頸和連桿頸上滾壓圓角；

（6）對主軸頸進行二次半精磨；

（7）以設定的主軸頸作為定位，對連桿頸進行精磨，控制精磨后的連桿頸直徑和開檔寬度；

（8）對主軸頸進行精磨，并控制精磨后的主軸頸直徑和開檔寬度。

      以上曲軸加工方法通過粗車?精車?半精磨?二次半精磨?精磨的步驟提高了曲軸的疲勞強度。

 

圖3  柴油機曲軸加工樣品示意圖

圖4  曲軸頸和連桿頸的加工部位和方法

 

3、曲軸安裝步驟

      在安裝曲軸之前，需要先將曲軸進行清洗和檢查，確保曲軸表面光滑無損。同時，需要準備好相應的工具，如扳手、千斤頂、起重機等。

（1）將氣缸體置于工作臺或翻轉架上，用壓縮空氣將清洗后的氣缸體和曲軸吹干，油道應重點吹掃。

（2）將機體倒置，將主軸瓦裝到軸承座孔中，確認定位吐舌正確入位。最后在每片瓦上涂抹機油。

注意：  瓦背不得涂抹機油。  如果軸瓦為舊件，則要保證原位裝復，不得換位安裝。檢查軸瓦彈張量，用力壓入為合適，如果無需用力軸瓦即可入位，則說明彈張量不足，應該換新件。  通常上主軸瓦有油孔，而下主軸瓦沒有油孔，不得裝錯。  一些柴油發電機的各道軸五零件號可能不同，注意區分，不得裝錯。 

（3）將曲軸置于氣缸體軸承座孔內，曲軸較重時使用吊裝設備。將下軸瓦裝人軸承蓋中，確認定位葉舌正確人位。最后在每片五上涂抹機油。軸承蓋按正確位置和方向裝在氣缸體上。多數柴油發電機主軸承蓋上的箭頭指向柴油發電機前端（以維修手冊說明為準）

（7）由中間向兩端擰緊各道軸承蓋螺栓，然后用扭力扳分三次（或以上）擰緊至規定力矩。擰緊后，用一只手扳動曲軸，曲軸應轉動自如，否則應查明原因并及時處理。

注意：  每個軸承蓋的兩個螺栓應交替擰緊，以便軸承蓋順利入位。  用于曲軸軸向定位的止推片應在安裝軸承蓋時裝人，注意裝配方向：有含油槽的一側朝向曲軸。有些柴油發電機采用翻邊瓦（即止推片與軸制成一體），應整體安裝。  主軸承蓋螺栓擰緊次序和力矩標準應按維修手冊要求進行。例如康明斯ISM柴油發電機按下列步驟擰緊主軸承螺栓。 一些柴油發電機機體后平面設有凸輪軸塞堵、主油道油堵，安裝飛輪殼體時應先將這些零件裝好。 一些較小的機型，為便于操作，飛輪殼體和飛輪可以最后安裝，裝配中需要盤轉曲軸時，可將飛輪暫時裝上。

（8）安裝飛輪。

      應交叉分數次擰緊飛輪螺栓至規定力矩。安裝飛輪前應對齒圈進行檢查，必要時進行更換。

（9）飛輪工作表面的軸向圓跳動檢測。

      在飛輪后端而最外端進行測量，其圓跳動量應不大于0.20mm（參考值）。如果圓跳動量過大則應查明原因，必要時更換飛輪。

注意： 飛輪上的定位銷不得漏裝，否則飛輪位置裝錯會使飛輪上的正時標記失準。緊固飛輪螺栓時，應將曲軸固定。對于齒輪室前置柴油發電機，在安裝飛輪前應完成飛輪殼、曲軸后油封裝配；對于齒輪室后置柴油發電機，在安裝飛輪前，應先完成飛輪殼、凸輪軸（中、下置式）、齒輪室和曲軸后油封的裝配。

 

總結：

      柴油發電機是一種常見的發電設備，而曲軸則是柴油機的核心部件之一。在柴油機維修中，曲軸的拆卸和安裝是一項非常重要的工作，需要耐心和細致,避免因操作不當而導致曲軸變形。此外，所有的部件都要全面檢查清洗后再安裝，同時應嚴格按照扭矩要求進行擰緊,確保曲軸工作壽命。因此，只有掌握了正確的拆卸和安裝方法，才能更好地維護柴油機的正常運行。

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