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性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明 |
柴油發(fā)電機連桿的結構特點(diǎn)與工藝精度 |
摘要：連桿的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，推動(dòng)曲軸轉動(dòng)，使活塞的往復運動(dòng)轉變?yōu)榍S的旋轉運動(dòng)。連桿在工作中要承受活塞銷(xiāo)傳來(lái)的氣體作用力、活塞連桿組往復運動(dòng)的慣性力和連桿大頭繞曲軸旋轉產(chǎn)生的旋轉慣性力的作用。上述這些作用力都是交變載荷，而連桿本身又是一個(gè)較長(cháng)的桿件，因此要求連桿要有足夠的強度和剛度，質(zhì)量要盡量小。
一、連桿的分類(lèi)
12v型柴油發(fā)電機左右兩側相對應的兩個(gè)汽缸的連桿，通常都裝在同一個(gè)曲柄銷(xiāo)上，連桿活塞組總成如圖1所示。按照兩個(gè)連桿連接方式的不同，可分為下列三種形式，如圖2所示。
1、并列連桿
相對應的左右兩缸的連桿，一前一后地裝在同一曲柄銷(xiāo)上。由于連桿的結構形式相同，因此可以通用，而且兩側汽缸的活塞連桿組的運動(dòng)規律相同。其缺點(diǎn)是兩側汽缸的中心線(xiàn)沿曲軸軸向要錯開(kāi)一段距離，因而曲軸的長(cháng)度增加，使曲軸剛度降低。
2、主副連桿
主副連桿又稱(chēng)關(guān)節式連桿，一列汽缸的連桿裝在連桿軸頸上，稱(chēng)為主連桿；另一列汽缸的連桿，通過(guò)一圓柱銷(xiāo)與主連桿的耳銷(xiāo)孔相連接，稱(chēng)為副連桿。左右兩列對應汽缸的主副連桿及其中心線(xiàn)位于同一平面內。
3、叉片式連桿
左右兩列汽缸相對應的兩個(gè)連桿中，一個(gè)連桿的大頭做成叉形，另一個(gè)連桿的大頭插在叉形連桿的開(kāi)擋內，稱(chēng)為叉片式連桿。
在缸徑較大，缸數較多的v型柴油發(fā)電機上，多采用主副連桿和叉片式連桿，而一般v型柴油發(fā)電機則多采用并列式連桿。
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圖1 活塞連桿組模型圖 |
圖2 連桿分類(lèi)型式圖 |
二、連桿的結構和工作過(guò)程
連桿是柴油發(fā)電機中的主要傳動(dòng)部件之一，他在柴油機中，把作用活塞頂面的膨脹的壓力傳遞給曲軸，又受曲軸的驅動(dòng)而帶動(dòng)活塞壓縮氣缸中的氣體。連桿在工作中承受著(zhù)著(zhù)急劇變化的動(dòng)載荷。連桿由連桿體及連桿蓋兩部分組成。連桿及連桿蓋上的大頭孔用螺栓和螺母與曲軸裝在一起。為了減少磨損和便于維修，連桿的大頭孔內裝有薄壁金屬軸瓦。軸瓦有鋼質(zhì)的底，底的內表面澆有一層耐磨巴氏合金軸瓦金屬。在連桿體大頭和連桿蓋之間有一組墊片，可以用來(lái)補償軸瓦的磨損。連桿小頭用活塞銷(xiāo)與活塞連接。小頭孔內壓入青銅襯套，以減少小頭孔與活塞的磨損，同時(shí)便于在磨損后進(jìn)行修理和更換。
在柴油發(fā)電機工作過(guò)程中，連桿受膨脹氣體交變壓力的作用和慣性力的作用，連桿除應具有足夠的強度和剛度外，還應盡量減小連桿自身的質(zhì)量，以減小慣性力的作用。連桿桿身一般都采用從大頭到小頭逐步變小的工字型截面形狀。為了保證柴油發(fā)電機的運轉均衡，同一發(fā)動(dòng)機中各連桿的質(zhì)量不能相差太大，因此，在連桿部件的大，小頭兩端設置了去不平衡的質(zhì)量的凸塊，以便于在稱(chēng)重后切除不平衡質(zhì)量，連桿大，小頭兩端對稱(chēng)分布在連桿中截面的兩側?？紤]到裝夾、安放、搬運等要求，連桿大小頭的厚度相等（基本尺寸相同）。在連桿小頭的頂端設有油孔（或油槽），柴油發(fā)電機工作時(shí)，依靠曲軸的高速轉動(dòng)，把氣缸體下部的潤滑油飛濺到小頭頂端的油孔內，以潤滑連桿小頭襯套與活塞之間的擺動(dòng)運動(dòng)副。
三、連桿的加工工藝和精度
發(fā)動(dòng)機在高速和高負荷狀態(tài)下工作時(shí)，連桿內部所承受的摩擦力和壓力巨大，容易產(chǎn)生高溫。當機油不足或不及時(shí)更換，就導致散熱不良，使連桿變形或軸瓦磨損（連桿組故障現象如圖3所示）。因此，連桿的加工精度將直接影響柴油機的性能，而工藝的選擇又是直接影響精度的主要因素。
1、反映連桿精度的參數
（1）連桿大端中心面和小端中心面相對連桿桿身中心面的對稱(chēng)度；
（2）連桿大、小頭孔中心距尺寸精度；
（3）連桿大、小頭孔平行度；
（4）連桿大。小頭孔尺寸精度、形狀精度；
（5）連桿大頭螺栓孔與接合面的垂直度。
（6）活塞連桿組的重量規定
柴油發(fā)電機的型號不同，要求也不一樣，各柴油發(fā)電機說(shuō)明書(shū)均有具體規定，例如，康明斯6B系列柴油發(fā)電機，新機時(shí)，在同一臺柴油發(fā)電機中各活塞質(zhì)量差不得大于5g，在同一臺柴油發(fā)電機中各連桿組（包括連桿體、連桿蓋、大小頭軸承、連桿螦釘）質(zhì)量差不得大于30g。一般修理時(shí)要求略低一些，例如鑄鐵活塞直徑在150mm左右的，各缸質(zhì)量差不能超過(guò)15g，連桿不能超過(guò)30、40g，活塞連桿組不超過(guò)60~80g，汽缸直徑在100mm左右的鋁活塞各缸質(zhì)量差不超過(guò)10g，連桿不能超過(guò)25~30g，活塞連桿組不能超過(guò)40~50g。
2、裂解工藝
連桿是發(fā)動(dòng)機上的關(guān)鍵零件，在高頻率疲勞載荷下作，對強度有較高的要求。連桿屬于較難鍛造與加工的一種零件，對其制造方法及技術(shù)，國內外都給予了極大的關(guān)注，連桿裂解（也稱(chēng)連桿脹斷、撐斷）加工新工藝是20世紀90年代初發(fā)展起來(lái)的一種連桿加工新技術(shù)，該種新工藝與裝備從根本上改變了傳統的連桿加工方法，是對傳統連桿加工的一次重大變革。連桿裂解技術(shù)的原理是根據材料斷裂理論，首先將整體鍛造的連桿毛坯大頭孔人為加工，形成初始斷裂源，然后用特定方法控制裂痕擴展，達到連桿本體與連桿蓋分離的目的。其裂解加工過(guò)程見(jiàn)圖3。
3、切削加工
連桿的制造過(guò)程中，需要進(jìn)行多道切削加工，包括車(chē)削、銑削、鉆孔、磨削等。這些加工工藝需要高精度的機床和刀具，以確保加工精度和表面質(zhì)量。在切削加工中，需要注意刀具的選擇、切削參數的調整、冷卻液的使用等因素。
4、熱處理
連桿的熱處理是制造過(guò)程中非常重要的一步，它能夠改善材料的機械性能和耐磨性。常用的熱處理方法包括淬火、回火、正火、等溫淬火等。在熱處理過(guò)程中，需要控制溫度、時(shí)間和冷卻速度等因素，以確保材料的性能達到要求。
5、精密加工
連桿的精密加工是制造過(guò)程中的最后一步，它包括磨削、拋光、平衡等工藝。這些工藝需要高精度的設備和技術(shù)，以確保連桿的尺寸精度和表面質(zhì)量。在精密加工中，需要注意加工工藝的順序、加工參數的調整、設備的維護等因素。
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圖3 連桿常見(jiàn)磨損和損壞部位 |
圖4 連桿裂解加工過(guò)程 |
四、連桿活塞組的裝配和檢測
柴油發(fā)電機的活塞與活塞銷(xiāo)、活塞銷(xiāo)與連桿襯套、連桿等分別修配好后，還要進(jìn)行裝配與檢驗。有分開(kāi)式連桿蓋的連桿，大頭的孔是在連桿軸承蓋、桿身和連桿螺栓裝配好了才進(jìn)行加工的。在蓋和身分開(kāi)面的一外側刻有同一個(gè)號碼，例如6，兩個(gè)“6”字應裝在同一側，如果裝錯了，孔可能變成錐形，或者蓋和桿身的分開(kāi)面會(huì )錯開(kāi)。一般情況下，連桿上刻有號碼的一邊朝向凸輪軸，修刮連桿軸瓦和裝配時(shí)不要弄錯。與此同時(shí)，某些凸輪軸機構是依靠通過(guò)連桿大端的噴油孔噴出的潤滑油來(lái)潤滑的，所以油孔應朝向凸輪軸方向。
1、活塞的標記
將活塞上所標記的裝配方向認定并準確識別，如圖5所示。
（1）有膨脹槽的活塞，應朝向連桿噴油孔的相對面。
（2）活塞頂上的箭頭：指向排氣管。
（3）活塞頂上的凹槽：按相關(guān)位置裝配。
（4）活塞平頂無(wú)記號：任意裝配（但不能裝錯缸）。
2、活塞、活塞銷(xiāo)及連桿小頭的裝配
將鋁制活塞（全浮式）活塞，放入水中加熱到75~85℃，取出活塞后迅速擦凈銷(xiāo)孔，將活塞銷(xiāo)推入孔的一端，立即在襯套內涂以少許機油，把連桿伸入活塞內與活塞銷(xiāo)對正（注意方向：一般大頭上有油匙的一邊應朝向工作時(shí)的轉動(dòng)方向）。繼續用手的腕力將活塞銷(xiāo)推入另一銷(xiāo)孔（或用木錘敲進(jìn)）。尤其用木錘往里敲時(shí)，活塞銷(xiāo)一定要裝正，否則對銷(xiāo)孔內表面有損傷。裝好后繼續放入水中加溫，當溫度達到90℃左右時(shí)，再從水中取出，當活塞銷(xiāo)處于垂直地面位置時(shí)，活塞銷(xiāo)在孔中應不能自動(dòng)下移，如果下移就證明配合松；另外應搖動(dòng)連桿，看活塞銷(xiāo)是否在孔中轉動(dòng)，如能轉動(dòng)，證明配合正常。如活塞銷(xiāo)在孔中不轉動(dòng)，則證明配合過(guò)緊，此時(shí)應把銷(xiāo)子打出來(lái)，適當修刮。
3、活塞銷(xiāo)與連桿襯套裝配檢驗
在常溫下，檢查活塞銷(xiāo)與襯套的配合情況時(shí)，可以手扶住活塞，另一手持連桿大頭部分擺動(dòng)，如果活塞銷(xiāo)和襯套配合正常，擺動(dòng)時(shí)應有一定的阻力；或用手握住活塞，使連桿大頭部分稍向上，虛線(xiàn)位置，若襯套與活塞銷(xiāo)配合正常，則連桿能借本身的重量徐徐下降。若配合松時(shí)，則下降很快；若配合緊了，則連桿不下降。若配合稍松，可用合適的工具在襯套兩邊輕輕敲擊數下，這樣可以使襯套內徑稍變小，若緊得不多，則不必用刮刀修刮，可將活塞銷(xiāo)裝進(jìn)襯套，然后將活塞銷(xiāo)夾在虎鉗上，來(lái)回搬動(dòng)連桿，使襯套內表面磨得光滑些即可。
4、活塞銷(xiāo)卡環(huán)的裝配
活塞連桿裝好后，在如圖6所示?；钊N(xiāo)兩端裝入卡環(huán)一定要把卡環(huán)裝在槽內，并使開(kāi)口朝向活塞的上邊（活塞頂端方向），這是因為活塞銷(xiāo)端部受熱膨脹的系數大，卡環(huán)長(cháng)期受高溫而失去彈力，開(kāi)口朝上時(shí)，卡環(huán)端部回縮，不易跑出槽外，同時(shí)，開(kāi)口朝上，還可以保存潤卡環(huán)有兩種（鋼絲和鋼片）。如卡環(huán)為鋼片時(shí)，其卡環(huán)槽深度為0.6~0.7mm；卡環(huán)為鋼絲時(shí)，槽的深度為鋼絲直徑的1/2、2/3，卡環(huán)裝入槽內與槽的四周應接觸嚴密?？ōh(huán)與活塞銷(xiāo)兩端的間隙均應不小于0.10mm。保留此間隙的目的在于使活塞銷(xiāo)受熱后有膨脹的余地。若沒(méi)有此間隙，活塞銷(xiāo)膨脹會(huì )使活塞的變形加大，甚至頂出卡環(huán)，易造成“拉缸”事故。間隙過(guò)小或沒(méi)有時(shí)，可將活塞銷(xiāo)磨短少許即可。
5、檢查活塞連桿組的彎扭
在連桿校驗器上檢查整套活塞連桿組是否有彎扭現象（檢查時(shí)不裝活塞環(huán)），檢查方法：按要求將活塞連桿組裝在連桿校驗器上，使活塞的底部與槽塊的頂部接觸，通過(guò)左右間隙的測量來(lái)確定活塞連桿組的扭曲，不得超過(guò)0.10mm；通過(guò)測量活塞裙部上下與平塊之間的間隙來(lái)確定活塞連桿組的彎曲，不得超過(guò)0.10mm，若超過(guò)規定就要重新對軸承、活塞銷(xiāo)孔、連桿襯套、連桿的彎曲與扭曲進(jìn)行校驗。
6、連桿螺栓的安裝
● 用專(zhuān)用工具上緊，并在柴油機說(shuō)明書(shū)中明確規定了緊固時(shí)的預緊度（一般用螺栓的伸長(cháng)量、液壓拉伸器的油壓、扭力扳手的扭矩或螺帽的旋轉角度來(lái)衡量，這些方法也用于其它重要螺栓預緊力的控制）。
● 預緊度過(guò)大會(huì )引起軸承變形、螺栓受力過(guò)大甚至損傷，過(guò)小則會(huì )發(fā)生軸承松動(dòng)。
● 第一次上緊連桿螺栓或更換軸承備件時(shí)，由于各承壓部分會(huì )產(chǎn)生永久變形，使一部分預緊力喪失。在這種情況下，要在正式上緊之前把螺栓先緊一下，以便把各承壓部分壓實(shí)，然后再放松，最后按規定正式上緊。
● 正確固緊是避免連桿螺栓疲勞斷裂這類(lèi)事故發(fā)生的最重要措施之一。
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圖5 柴油機活塞安裝標記 |
圖6 活塞連桿組裝配完成后總成圖 |
總結：
連桿的制造過(guò)程中，需要進(jìn)行多道檢測和質(zhì)量控制，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。常用的檢測方法包括超聲波探傷、磁粉探傷、硬度測試、尺寸測量等。在質(zhì)量控制中，需要制定嚴格的工藝規范和質(zhì)量標準，對每道工序進(jìn)行檢查和記錄，以確保產(chǎn)品的一致性和穩定性。連桿的制造工藝過(guò)程是一個(gè)復雜而嚴謹的過(guò)程，需要高精度的設備和技術(shù)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。在制造過(guò)程中，需要注意材料的選擇、切削加工、熱處理、精密加工、檢測和質(zhì)量控制等因素，以確保產(chǎn)品的一致性和穩定性。只有這樣，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的連桿產(chǎn)品，為柴油發(fā)電機組行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。
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