故障檢查與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機主軸結構和檢測裝置

 

摘要：曲軸是柴油發(fā)動(dòng)機上重要的零部件，曲軸的成本大約占整機成本的十分之一，因此也是柴油機中最貴的零件。它的作用是把活塞、連桿傳來(lái)的氣體力轉變?yōu)檗D矩，將活塞是直線(xiàn)運動(dòng)轉化為旋轉運動(dòng)，用以驅動(dòng)柴油機的傳動(dòng)系統和配氣機構以及其他輔助裝置。曲軸最常見(jiàn)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度是曲軸設計的首要問(wèn)題。曲軸各軸頸的尺寸還應滿(mǎn)足軸承承壓能力和潤滑條件的要求。

 

一、曲軸結構組成

 

       曲軸主要由主軸頸、連桿軸頸（曲柄銷(xiāo)）、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，結構如圖2所示。

1、主軸頸與連桿軸頸

      柴油發(fā)電機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(lái)支承曲軸的，曲軸繞主軸頸中心高速旋轉。主軸頸多為實(shí)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)是可以減少旋轉質(zhì)量，從而減少其離心力；同時(shí)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(guò)曲柄臂中的斜油道被壓送至連桿軸頸空腔內，在旋轉離心力的作用下，將機油中密度大的金屬磨屑及其他雜質(zhì)甩向空腔的外壁，內側干凈的機油通過(guò)油管流到連桿軸頸及軸承摩擦表面。

2、曲柄臂

      曲柄臂簡(jiǎn)稱(chēng)“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，其厚度與寬度應使曲軸有足夠的剛度和強度。

3、平衡重

      平衡重通常設在與連桿軸頸相對的一側曲柄臂上，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，增加運轉的平穩性。

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(shí)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)電機曲軸前端設有啟動(dòng)爪，另有一些高速柴油發(fā)電機曲軸前端裝有扭轉減振器，還有些工程機械用柴油發(fā)電機的曲軸前端設有動(dòng)力輸出裝置。

5、曲軸的后端

      一般曲軸的后端設有油封、回油螺槽、后凸緣等結構。曲軸后端的尾部伸出機體外，以便將柴油發(fā)電機的功率輸送給配套機具的傳動(dòng)裝置。后端多裝有飛輪，通過(guò)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(dòng)機曲軸的幾何結構

圖2  曲軸組成部分結構圖

 

二、曲軸的工藝要求

      曲軸的受力是復雜的，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、抗扭轉的疲勞強度和剛度；軸頸應有足夠大的承壓表面和耐磨性。

1、設計要求

      曲軸基本上由若干個(gè)單元曲拐構成。一個(gè)曲柄銷(xiāo)，左右兩個(gè)曲柄臂和左右兩個(gè)主軸頸構成一個(gè)單元曲拐。各曲拐的相對位置或曲拐布置取決于氣缸數、氣缸排列形式和發(fā)動(dòng)機工作順序。

（1）有足夠的疲勞強度；

（2）有足夠的承壓面積，軸頸表面要耐磨；

（3）盡量減少應力集中；

（4）剛度好，變形小。

2、材料要求

（1）中碳鋼：如45＃，絕大多數采用模段制造；鍛造后進(jìn)行正火或調質(zhì)處理，然后在各軸頸表面實(shí)施感應加熱表面淬火。鋼曲軸也可以進(jìn)行滲氮處理，以提高疲勞強度。

（2）合金鋼：在強化程度較高的發(fā)動(dòng)機中采用。

（3）球墨鑄鐵：在強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振動(dòng)的幅值。

      在曲軸設計中，曲軸的結構、材料、工藝三因素各自有獨立規律，且相互影響。其主要參數和精度如圖4所示。

圖3  曲軸和軸承表面的壓力分布圖

圖4  曲軸基本參數和精度

 

三、曲軸檢測

1、軸頸的圓度和圓柱度測量

      發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，由于曲軸主軸頸及連桿軸頸各個(gè)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(huì )成為橢圓形，在軸向會(huì )成為錐形。因此，測量曲軸的主軸預及連桿軸頸的直徑。如圖5所示，用千分尺在各道軸頸的I、II兩個(gè)位置和A、B兩個(gè)方向測量其直徑，在A(yíng), B兩個(gè)方向上所側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位置上所側得的最大與最小直徑差的一半則為軸頸的圓柱度誤差。當曲軸軸頸的圓度和圓柱度誤差超過(guò)磨損極限時(shí)，應修磨曲軸。 

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；轉動(dòng)曲軸一周，百分表上指針的最大與最小讀數之差，即為中間主軸頸對兩端主軸頸的徑向圓跳動(dòng)誤差(通常也用指針的最大與最小讀數差值之半做為直線(xiàn)度誤差或彎曲度值)；發(fā)動(dòng)機曲軸的直線(xiàn)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上進(jìn)行。

      將曲軸放在壓力機工作平板的V型塊上；在壓力機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(shí)需多次反復進(jìn)行，直到符合要求。曲軸校正需進(jìn)行時(shí)效處理，即將曲軸放置10~15天，再重新檢校，或將冷壓后的曲軸加熱至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(guò)極限值時(shí)，應更換第三道主軸承兩側的半圓止推環(huán)。

4、曲軸徑向間隙的檢測

      已裝好的發(fā)動(dòng)機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。新軸承徑向間隙應為0.03～0.08mm ，磨損極限值為 0.17mm 。超過(guò)磨損極限時(shí)，應對相應軸承進(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?xún)?，可通過(guò)磨削磨掉，否則應予以報廢。

（2）發(fā)動(dòng)機曲軸圓度、圓柱度誤差大于0.025mm時(shí)，應按修理尺寸磨修。

（3）發(fā)動(dòng)機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(shí)操作要求不同，注意防止曲軸折斷或出現新的裂紋。

（5）注意區分軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差、曲軸軸線(xiàn)的直線(xiàn)度誤差及彎曲度等指標之間的關(guān)系。

（6）測量曲軸軸頸尺寸及圓度、圓柱度誤差時(shí)，應與油孔錯開(kāi)。

 

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：

      柴油發(fā)電機曲軸破壞主要是彎曲疲勞破壞，現在曲軸強度計算絕大部分采用有限元計算方法，且有很多現成的工程分析軟件，如ansys，pro/e，UG等。因此，需要提高曲軸疲勞強度的措施。在載荷不變的條件下，要提高曲軸抗彎強度就應設法降低應力集中；適當減小單拐中間部分的彎曲剛度，使應力分布較為均勻。 

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