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柴油機曲軸臂距差影響因素和測量方法 |
摘要：曲軸承受著各種交變載荷的作用，其造價占柴油機總價的10%-30%，是柴油機中最重要的零件之一。曲軸的技術狀態直接影響柴油機的可靠性、使用壽命和經濟性。實踐與理論表明，對于各種曲軸，彎曲疲勞是曲軸斷裂的主要因素。曲軸臂距差（或叫拐檔差）的測量就是為了知道主軸承的磨損和曲軸的彎曲程度，同時臂距差測量與分析也是維修人員理論及柴油機拆裝考核的重要內容。康明斯公司在本文中歸納了影響曲軸臂距差測量的各種因素以及測量分析與調整時需要注意的要點。因此，在日常管理中，對曲軸臂距差的測量應給予特別注意，并應極力使曲軸臂距差符合規范要求，以保證曲軸經常處于良好的運動狀態。
一、曲軸臂距差的影響因素
曲軸臂距差要按照說明書規定或船級社要求的各種檢驗規定進行測量。影響曲軸臂距差變化的主要因素如下：
1、柴油機機座對臂距差的影響
在柴油機與尾軸調配對線安裝時，墊塊是重要部件，起到固定柴油機機座和調節機座位置的作用。一般柴油機機座的墊塊由金屬材料制成，形狀多樣,加工時需留0.1～0.2mm的研磨余量，且墊塊與機座的間隙不可插入規格為0.05mm的塞尺。由于金屬材料具有良好的延展性、導熱性，易熱脹冷縮,因此金屬墊塊長期處在高溫、高頻振動的環境中易引起柴油機機座發生形變，從而導致曲軸臂距發生變化。
2、主軸承不均勻磨損對臂距差的影響
柴油機在運行過程中，因為每缸工況存在差異，所以曲軸的每個軸承所承受的應力不一致，磨損也不盡相同。如果曲軸潤滑油中含有固態雜質且在各主軸承上分布不均，也會造成相應主軸承磨損加劇。主軸承磨損不均，就會引起曲軸各主軸頸的不均勻下沉，從而造成曲軸軸線彎曲，曲軸臂距差發生變化。
3、飛輪對臂距差的影響與對策
柴油機曲軸上都裝有飛輪，飛輪通常為鑄鐵、鑄鋼或鍛鋼制成的輪緣形結構，其大部分質量集中在輪緣處。由于飛輪質量較大，靠近飛輪端的曲軸會發生下垂,對曲軸臂距差產生較大影響。
4、缸內氣體壓力對臂距差的影響
柴油機在運行過程中，氣缸內的油氣混合物在高溫高壓的環境中發生燃燒，且氣體體積迅速膨脹，高壓氣體通過活塞、連桿等連接件將推力傳遞給曲軸。在這個高頻且巨大的推力作用下,曲軸會產生中線向下彎曲的現象。
二、曲軸臂距差測量
1、測量點的確定
曲軸臂結構如圖1所示。曲軸臂距值測量點一般均設在距曲柄銷中心線（S+D）/2處，S為活塞行程，D為主軸直徑。
A點作為固定的測量點。有的大型柴油機為了便于測量或避開軸孔套合處，將測量點設在曲柄臂下邊緣B點。B點的△g換成A點的△A值后方可使用標準。可按下式換算：
ΔA=ΔΒ•（OA/OB）mm
式中：OA為測量點A至曲柄銷中心線的距離，mm；OB為測量點B至曲柄銷中心線的距離，mm。
2、測量步驟
（1）測量工具如圖2所示。檢查臂距表的好壞及靈敏度。用手指按動表端頂尖部位數次，看大指針能否回到原位，能回到原位的，臂距表一般來說是好的；大指針回來的速度越快，說明表的靈敏度越好。
（2）從曲臂寬度中心線上尋找，并仔細清潔兩曲臂上的沖孔。
（3）根據臂距選擇測量桿的長度，在曲柄銷下止點后150裝表，需要說明的是下止點后150°位置裝表部位不需要精確的角度，以裝表后，正車盤車時不碰連桿螺母為原則，隨著裝表點的變化，與其對應的165°測量點也要對應變化。a、e兩個測量點越接近下止點，其L下=（La+Le）/2值越精確。調節測量桿的長度，使之比臂距大1-2 mm（可以看小指針在1或2處）。然后擰好鎖緊螺母。
（4）裝上配重塊，用手將表來回擺動幾次，看大指針有無擺動，若不動，說明安裝妥當，可以進入下個步驟。若動了，一般來說有可能是下面幾種情況引起：
① 有可能臂距表是壞的；
② 沖孔有垃圾或不正；
③ 測量桿上螺母沒擰緊；
④ 測量桿不直。在排除以上故障，確認安裝良好后，轉動表盤，使大指針到“0”位。
（5）正車依次盤車到以下測量點：當曲軸未裝活塞連桿時，測量0°、90°、180°、270四個位置的臂距值，可自其中任一位置裝表完成測量；當曲軸已安裝活塞連桿時，測量0°、90°、165°、195°、270°五個位置的臂距值，自195°位置裝表完成測量。
（6）臂距值正負的確定。與臂距表頂尖向內壓大指針偏轉方向一致的讀作“-”，與此偏轉方向相反的讀作“+”。
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圖1 柴油機曲軸臂結構示意圖 |
圖2 柴油機曲軸測量儀示意圖 |
3、測量記錄方法
當以曲柄銷位置為準記錄讀數時，稱為銷位法；當以臂距表所在位置為準記錄讀數時，稱為表位法。推薦銷位法記錄如圖1所示。
4、臂距差計算
臂距值，用L表示，俗稱拐檔值。臂距差，俗稱拐檔差，用符號△表示：
Δ⊥=L上-L下
△_=L左-L右
裝活塞連桿組時，參照圖2所示，L下=（La+Le）/2，其中Δ⊥、△_分別為垂直平面、水平平面內的臂距差。
5、臂距差標準
CB/T3544-94規定；柴油發電機整體式和組合式曲軸臂距差應符合圖2的要求。圖中橫坐標表示垂直臂距差Δ⊥，縱坐標表示沖程S。
圖中Ⅰ線在左上方為在車床或平臺上測量的最佳值；在Ⅰ、Ⅱ線之間為曲軸安裝中的優良值；在Ⅱ、Ⅲ線之間為柴油機運轉中的合格值；Ⅲ線為柴油機運轉中的最大允許值。而對活塞行程小于200 mm的小型柴油機，因曲軸剛性較好則不必檢驗其臂距差。
6、繪制曲軸軸線狀態圖
根據各缸的Δ⊥值繪制曲軸軸線狀態圖，具體見實例分析調整。
7、臂距差的分析調整
曲拐運轉時變形一般出現兩種情況。為了便于分析曲軸的變形，簡化問題，對運轉中的曲軸進行以下假定：
（1）曲軸設計時，主軸頸直徑≥曲柄銷直徑，因此可以假設主軸頸與曲柄臂之間為剛性連接，夾角為90°并保持不變。
（2）由于曲軸結構的對稱性，因此可以假設曲軸轉動時曲柄銷與兩曲軸臂之間夾角相等。歸納如表1所示。
另外在水平平面內，當曲柄的臂距差值△為正值時，說明曲柄的兩個主軸承位置偏右；當曲柄的臂距差值△為負值時，說明曲柄的兩個主軸承位置偏左。
測出各曲柄的臂距差后，雖然可以根據正負值來判斷曲軸軸線的撓曲程度，但是并不能說明引起曲軸軸線撓曲的真正原因是各道主軸承磨損不均勻，還是由于船體的變形所致。因此，還需要橋規測出各道主軸承的下沉量。若臂距值與所測的下沉量相互吻合，則說明曲軸軸線撓曲變形時由于主軸承磨損引起；若兩者互相矛盾，則說明機座已經變形。因為當機座變形時，各軸頸的橋規值時不變的，而臂距差變化很大。當機座中部下榻時，整個軸線也隨著塌下，而曲軸的下沉量并不變化。所以，在測量臂距差前，應先檢查機身、機座等各接合處有無松動。
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圖3 柴油機曲軸臂距差測量記錄方法 |
圖4 柴油機曲軸臂距差標準坐標圖 |
三、實例分析調整
測得康明斯某型柴油機曲軸臂距值如圖5所示。曲軸臂距差計算匯總如表2所示：
表1 臂距差計算結果（1/100 mm）
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缸號
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1
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2
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3
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4
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5
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6
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垂直臂距差
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-7
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+5
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+21
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+38
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+27
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+12
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水平臂距差
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+6
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-2
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-4
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+5
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-2
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+7
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作曲軸軸線狀態圖，如圖6所示。主機活塞行程S=1600 mm，根據圖4標準可知該主機運行時垂直臂距差Δ⊥應該在0.16 mm~0.32 mm之間，取算術平均值為0.24 mm。因此該機第四缸曲軸臂距差超過標準，需要調整。
按照由簡單到復雜的檢修原則，對引起曲軸臂距差因素逐一排查，最后確定引起軸臂距差過大的主要原因是柴油機長期振動使地鐵過度磨損。檢修方案實施如下：
（1）拆卸第V道主軸承位置及與它相鄰的第IV道主軸承位置和第VI道主軸承位置的所有地腳螺栓。
（2）由圖6可見，其中第V道主軸承最低。取出第V道主軸承位置左右的地鐵，測量它的原始厚度并記錄下來。用經驗估算法來計算地鐵的增厚量。經驗估算法（適用于缸徑為600-800 mm的低速柴油機）。主軸承刮低或抬高量γ=（1.3-1.6）△a，其中△a為相鄰兩個曲柄臂距差變化的數值（mm）。取△a=0.38-0.24=0.14（mm），因此第V道主軸承位置地鐵的增厚量γ=（1.3~1.6）△a，=0.18~0.22（mm）。
（3）在第V道主軸承位置地鐵原始厚度基礎上增加0.2 mm制作地鐵，現場配制使其接觸面達到每平方厘米3點以上的技術要求，然后地鐵現場鉆孔。
（4）擰緊第V道主軸承位置地腳螺栓。拆卸與其鄰近的松動地鐵，現場測量地鐵位置的高度并記錄，在此基礎上增加0.03 mm-0.05mm厚度制作地鐵，然后現場配置，使其符合技術要求。
（5）擰緊所有的地腳螺栓后，測得曲軸臂距差如表3所示：
表2 調整后曲軸臂距差（1/100 mm）
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缸號
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1
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2
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3
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4
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5
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6
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垂直臂距差
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-2
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+12
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+22
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+25
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+17
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+19
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由此可見，曲軸臂距差得到改善，符合該機運行規范要求。調整結束后，要對曲軸軸心線和氣缸中心線不垂直相交度和導板工作面的不平行度進行必要的檢驗和修整，與曲軸所附帶的齒輪、鏈條、軸系等進行檢查和調節。
如果用改變軸承厚度的方法來調節曲軸臂距差時，當各道軸承高低相差不大，可以最低軸承為基準修刮偏高軸承；若各道軸承高低偏差較大時，一般應按修刮偏高軸承和更新偏低軸承的辦法來調整軸線狀態。但對于任何一道軸承的修刮或換新，不僅對相鄰兩缸的拐檔差有影響，而且對其他各缸的拐檔差也會產生一定的影響。所以在確定修刮量或更新軸承時，需要綜合考慮這些因素。
無論是對需要修刮的軸承或是換新的軸承，均需要將軸承取出后測量其厚度，以便更好地確定軸承的修刮量。在進行每次修刮時，其修刮量不應太大，刮低軸瓦時應比計算值刮得小點（抬高則相反）。軸承經初步修刮或換新后，還需要再重新測取各拐檔差值，繪取軸線狀態圖，檢查軸線狀態的變化，進一步確定軸承的修刮量。這需要經過幾次反復直至拐檔差值達到許用范圍，軸線狀態恢復正常為止。
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圖3 柴油機曲軸臂距值記錄銷位法 |
圖4 柴油機曲軸軸線狀態作圖 |
四、總結
（1）曲軸臂距差值的大小比較只有在相同的條件下（如冷態和熱態、氣溫高低、裝載情況、海里和塢內等）才有意義。
（2）主軸瓦和曲軸的磨損是需要一段時間的，在柴油機油壓、油溫都正常的情況下，曲軸臂距差突然變大，首先要考慮外在因素影響的可能性。
（3）可以用公式（L上+L下）-（L左+L右）<±0.03mm，來估計曲軸臂距值測量的準確性，如果幾次測量都超標說明曲軸存在嚴重變形。
（4）調整時不要盲目追求某一缸曲軸臂距差值最小，要整體考慮使每各缸曲軸臂距差值符合規范要求。
（5）刮低或抬高某道主軸承時，要考慮引起其它相鄰兩缸臂距差的變化。
（6）調整臂距差過程中，不但要保證臂距差達到要求，同時要保證主軸頸與主軸瓦接觸良好。
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