故障檢修與技術(shù)維護

柴油發(fā)電機的曲軸拆卸和安裝要點(diǎn)

 

導讀：曲軸是柴油發(fā)電機的曲柄飛輪組中最重要的零部件，其主要作用是通過(guò)連桿將柴油發(fā)電機氣缸內活塞的直線(xiàn)運動(dòng)轉化為旋轉運動(dòng)，以及把活塞做的功轉變?yōu)檗D矩通過(guò)曲軸輸出。曲軸的工作環(huán)境惡劣，在工作時(shí)，曲軸承載著(zhù)氣體力、往復慣性力和旋轉慣性力以及它們產(chǎn)生的力矩，這些載荷和產(chǎn)生的振動(dòng)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(guān)于康明斯柴油發(fā)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(fā)電機的曲軸主要由主軸頸、連桿軸頸（又稱(chēng)曲柄銷(xiāo)）、曲柄臂、平衡重塊、前端及后端等部分組成，3D外觀(guān)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(lái)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(lái)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(shí)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(dòng)風(fēng)扇、水泵及充電機等的皮帶。它上面還裝有正時(shí)齒輪、油封等。

3、曲軸后端

      曲軸后端裝有法蘭盤(pán)，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(lái)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(fā)電機采用摩擦表面有耐磨合金層的滑動(dòng)軸承。此軸承做成剖分式，俗稱(chēng)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(fā)電機的主軸承采用滾動(dòng)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(dòng)軸承會(huì )使柴油發(fā)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(dòng)時(shí)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(chǎn)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(fā)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(pán)，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(dòng)慣量。飛輪在輪邊刻有第1缸活塞位于上止點(diǎn)的標記，可根據此標記調整柴油發(fā)電機的配氣正時(shí)、供油或點(diǎn)火提前角。

 

圖1  柴油機曲軸3D模型圖

圖2  柴油發(fā)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(shí)，連桿軸頸尺寸變小后，與原始出廠(chǎng)相比，重量會(huì )減小。

（2）不平衡力臂

      曲軸彎曲所采用的磨主軸頸的方法來(lái)保證各個(gè)主軸頸的同心度工藝，會(huì )導致主軸重量減小，主軸軸線(xiàn)向曲柄方向平移，產(chǎn)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(chǎn)生。曲軸旋轉運動(dòng)時(shí)，不平衡轉矩加劇了曲軸的扭振作用。 在柴油發(fā)電機曲軸的修理過(guò)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(fā)電機運轉時(shí)，曲軸系統受到大小和方向周期性變化著(zhù)的氣體壓力和運動(dòng)零件慣性力的作用，這些力會(huì )使曲軸相對于飛輪發(fā)生扭轉變形而引起扭振，即強制振動(dòng)。柴油發(fā)電機運轉時(shí)，易在工作轉速范圍內發(fā)生強烈共振，發(fā)生共振時(shí)的曲軸轉速即臨界轉速，輕則引發(fā)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(fā)電機曲軸的自振頻率是8000次／min左右，當柴油發(fā)電機的轉速為臨界轉速的某一分數時(shí)，曲軸的扭振振幅也可以超出允許限度。如果柴油發(fā)電機工作過(guò)程中，把其轉速設置在主臨界轉速次臨界轉速這兩個(gè)轉速附近，對曲軸來(lái)說(shuō)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(chǎng)的柴油發(fā)電機曲軸頸表面經(jīng)氮化處理，具有較高的耐磨性。經(jīng)過(guò)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(jìn)行動(dòng)平衡調試

      曲軸經(jīng)過(guò)磨修或矯直后，若不進(jìn)行動(dòng)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(huì )大大降低。

（3）過(guò)渡圓角變小

      經(jīng)過(guò)磨修后的曲軸，各個(gè)過(guò)渡圓角半徑R比設計圖紙上標注的小，致使曲軸過(guò)渡圓角處應力集中加大，易促成曲軸在此產(chǎn)生初始微觀(guān)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(zhì)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(jìn)而導致不平衡載荷的產(chǎn)生。尤其是當活塞處于膨脹做功下行過(guò)程中，連桿軸頸旋轉到某特定位置時(shí)，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(xiàn)以下位置時(shí)，連桿軸瓦內表面相對連桿軸頸表面滑動(dòng)速度較低，油膜厚度變薄，均使軸頸表面產(chǎn)生磨損；油道方向不當也降低了潤滑油的相對流動(dòng)速度，致使所形成的油膜質(zhì)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(fā)電機工作轉速時(shí)，避開(kāi)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(shí)，避免油道口附近表面處于較高壓力位置；通過(guò)改變油道方向提高潤滑油的相對流動(dòng)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(shí)按照修理標準要求不磨曲軸或減少磨削量。

（3）加大過(guò)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(guò)一定厚度后，進(jìn)行表面滲氮處理，以增加曲軸的耐磨性和抗擠強度。

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

（6）嚴格認真執行柴油發(fā)電機使用、維護、修理相關(guān)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(tài)確保不會(huì )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(shí)注意安全）。

（2）拆卸正時(shí)鏈輪，首先松開(kāi)張緊輪，取下鏈輪時(shí)注意鏈輪上的正時(shí)標志和傳動(dòng)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(kāi)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(fā)電機曲軸的主軸頸和連桿頸進(jìn)行粗車(chē)，控制粗車(chē)后的主軸頸直徑和連桿頸直徑；

（2）對連桿頸精車(chē)，控制精車(chē)后的連桿頸直徑；

（3）對主軸頸進(jìn)行半精磨，控制半精磨后的主軸頸直徑和開(kāi)檔寬度；

（4）對連桿頸進(jìn)行半精磨，控制半精磨后的連桿頸直徑和開(kāi)檔尺寸；

（5）在主軸頸和連桿頸上滾壓圓角；

（6）對主軸頸進(jìn)行二次半精磨；

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

（8）對主軸頸進(jìn)行精磨，并控制精磨后的主軸頸直徑和開(kāi)檔寬度。

      以上曲軸加工方法通過(guò)粗車(chē)?精車(chē)?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(jìn)行清洗和檢查，確保曲軸表面光滑無(wú)損。同時(shí)，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(diǎn)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(wú)需用力軸瓦即可入位，則說(shuō)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(méi)有油孔，不得裝錯。  一些柴油發(fā)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(shí)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(fā)電機主軸承蓋上的箭頭指向柴油發(fā)電機前端（以維修手冊說(shuō)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(dòng)曲軸，曲軸應轉動(dòng)自如，否則應查明原因并及時(shí)處理。

注意：  每個(gè)軸承蓋的兩個(gè)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(shí)裝人，注意裝配方向：有含油槽的一側朝向曲軸。有些柴油發(fā)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(jìn)行。例如康明斯ISM柴油發(fā)電機按下列步驟擰緊主軸承螺栓。 一些柴油發(fā)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(shí)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(pán)轉曲軸時(shí)，可將飛輪暫時(shí)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(jìn)行檢查，必要時(shí)進(jìn)行更換。

（9）飛輪工作表面的軸向圓跳動(dòng)檢測。

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

注意： 飛輪上的定位銷(xiāo)不得漏裝，否則飛輪位置裝錯會(huì )使飛輪上的正時(shí)標記失準。緊固飛輪螺栓時(shí)，應將曲軸固定。對于齒輪室前置柴油發(fā)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(fā)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(fā)電機是一種常見(jiàn)的發(fā)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(shí)應嚴格按照扭矩要求進(jìn)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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