故障檢修與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)的曲軸拆卸和安裝要點(diǎn)

 

導(dǎo)讀：曲軸是柴油發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)氣缸內(nèi)活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及把活塞做的功轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出。曲軸的工作環(huán)境惡劣，在工作時(shí)，曲軸承載著氣體力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)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(fù)雜的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力。因此，要求曲軸具有足夠的剛度、強(qiáng)度和尺寸精度。本文內(nèi)容主要分享關(guān)于康明斯柴油發(fā)電機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)組成

 

      柴油發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)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(yùn)轉(zhuǎn)。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(yīng)使曲軸有足夠的剛度和強(qiáng)度。平衡重塊，平衡重塊通常設(shè)在與連桿軸頸相對(duì)的一側(cè)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(fù)荷，增加運(yùn)轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)風(fēng)扇、水泵及充電機(jī)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，用螺栓緊固連接飛輪，還設(shè)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(fā)電機(jī)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(nèi)流通，以強(qiáng)制潤滑主軸承摩擦表面和連桿軸頸摩擦表面。另外，現(xiàn)在有許多柴油發(fā)電機(jī)的主軸承采用滾動(dòng)軸承，這樣做的結(jié)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(jī)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的噪音，但是必須增加主軸承的潤滑強(qiáng)度。

5、飛輪

      飛輪的主要作用是存儲(chǔ)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(zhuǎn)的連續(xù)性和均勻性，使柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。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?yàn)樵谥匾庖欢ǖ那闆r下，可獲得較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。飛輪在輪邊刻有第1缸活塞位于上止點(diǎn)的標(biāo)記，可根據(jù)此標(biāo)記調(diào)整柴油發(fā)電機(jī)的配氣正時(shí)、供油或點(diǎn)火提前角。

 

圖1  柴油機(jī)曲軸3D模型圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)圖

 

二、影響曲軸壽命的因素和預(yù)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保證各個(gè)主軸頸的同心度工藝，會(huì)導(dǎo)致主軸重量減小，主軸軸線向曲柄方向平移，產(chǎn)生不平衡力臂。

（3）不平衡轉(zhuǎn)矩

      不平衡重量和不平衡力臂導(dǎo)致不平衡轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不平衡轉(zhuǎn)矩加劇了曲軸的扭振作用。 在柴油發(fā)電機(jī)曲軸的修理過程中，不平衡離心力對(duì)曲軸的工作影響不可忽視，應(yīng)想辦法消除不平衡離心力對(duì)曲軸壽命的影響。

2、扭振臨界轉(zhuǎn)速的影響

      柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸系統(tǒng)受到大小和方向周期性變化著的氣體壓力和運(yùn)動(dòng)零件慣性力的作用，這些力會(huì)使曲軸相對(duì)于飛輪發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而引起扭振，即強(qiáng)制振動(dòng)。柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，易在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈共振，發(fā)生共振時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)速即臨界轉(zhuǎn)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(jī)曲軸的自振頻率是8000次／min左右，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的某一分?jǐn)?shù)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(jī)工作過程中，把其轉(zhuǎn)速設(shè)置在主臨界轉(zhuǎn)速次臨界轉(zhuǎn)速這兩個(gè)轉(zhuǎn)速附近，對(duì)曲軸來說都是比較危險(xiǎn)的。

3、修理方法不當(dāng)?shù)挠绊?/span>

（1）滲氮層厚度的減少

      原廠的柴油發(fā)電機(jī)曲軸頸表面經(jīng)氮化處理，具有較高的耐磨性。經(jīng)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(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)試

      曲軸經(jīng)過磨修或矯直后，若不進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)試，未使不平衡載荷得到有效控制，曲軸的疲勞強(qiáng)度會(huì)大大降低。

（3）過渡圓角變小

      經(jīng)過磨修后的曲軸，各個(gè)過渡圓角半徑R比設(shè)計(jì)圖紙上標(biāo)注的小，致使曲軸過渡圓角處應(yīng)力集中加大，易促成曲軸在此產(chǎn)生初始微觀裂紋。

4、局部結(jié)構(gòu)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(dāng)，致使在局部形成的油膜質(zhì)量變差，導(dǎo)致曲軸的連桿軸頸內(nèi)側(cè)磨損大，軸頸橢圓度超差，從而磨修曲軸，進(jìn)而導(dǎo)致不平衡載荷的產(chǎn)生。尤其是當(dāng)活塞處于膨脹做功下行過程中，連桿軸頸旋轉(zhuǎn)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(duì)較高，油膜易遭破壞；其次，當(dāng)連桿大頭中心旋轉(zhuǎn)至主軸軸線以下位置時(shí)，連桿軸瓦內(nèi)表面相對(duì)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(dāng)也降低了潤滑油的相對(duì)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(fù)荷突增、沖擊、使用維護(hù)不當(dāng)，均可促成曲軸斷裂。

5、預(yù)防曲軸磨損傷的措施

（1）設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速時(shí)，避開臨界轉(zhuǎn)速，主臨界轉(zhuǎn)速和次臨界轉(zhuǎn)速。

（2）改變連桿軸頸表面油道口位置和油道方向。當(dāng)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；通過改變油道方向提高潤滑油的相對(duì)流動(dòng)速度，從而改善連桿軸頸內(nèi)側(cè)磨損大的現(xiàn)象。避免在一次大修周期內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力集中系數(shù)。

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

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

（6）嚴(yán)格認(rèn)真執(zhí)行柴油發(fā)電機(jī)使用、維護(hù)、修理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)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(jī)為例，曲軸拆卸的具體方法如下：

（1） 將汽缸體倒置在工作臺(tái)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，首先松開張緊輪，取下鏈輪時(shí)注意鏈輪上的正時(shí)標(biāo)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(biāo)記， 不同缸的主軸承蓋及軸瓦不能互相調(diào)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(jī)曲軸為例，樣品如圖3所示，加工部位如圖4所示。

（1）對(duì)柴油發(fā)電機(jī)曲軸的主軸頸和連桿頸進(jìn)行粗車，控制粗車后的主軸頸直徑和連桿頸直徑；

（2）對(duì)連桿頸精車，控制精車后的連桿頸直徑；

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

（4）對(duì)連桿頸進(jìn)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(duì)主軸頸進(jìn)行二次半精磨；

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

（8）對(duì)主軸頸進(jìn)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(qiáng)度。

 

圖3  柴油機(jī)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損。同時(shí)，需要準(zhǔn)備好相應(yīng)的工具，如扳手、千斤頂、起重機(jī)等。

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

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

注意：  瓦背不得涂抹機(jī)油。  如果軸瓦為舊件，則要保證原位裝復(fù)，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(yīng)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(cuò)。  一些柴油發(fā)電機(jī)的各道軸五零件號(hào)可能不同，注意區(qū)分，不得裝錯(cuò)。 

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

（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(guī)定力矩。擰緊后，用一只手扳動(dòng)曲軸，曲軸應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)自如，否則應(yīng)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(yīng)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(yīng)在安裝軸承蓋時(shí)裝人，注意裝配方向：有含油槽的一側(cè)朝向曲軸。有些柴油發(fā)電機(jī)采用翻邊瓦（即止推片與軸制成一體），應(yīng)整體安裝。  主軸承蓋螺栓擰緊次序和力矩標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按維修手冊(cè)要求進(jìn)行。例如康明斯ISM柴油發(fā)電機(jī)按下列步驟擰緊主軸承螺栓。 一些柴油發(fā)電機(jī)機(jī)體后平面設(shè)有凸輪軸塞堵、主油道油堵，安裝飛輪殼體時(shí)應(yīng)先將這些零件裝好。 一些較小的機(jī)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(zhuǎn)曲軸時(shí)，可將飛輪暫時(shí)裝上。

（8）安裝飛輪。

      應(yīng)交叉分?jǐn)?shù)次擰緊飛輪螺栓至規(guī)定力矩。安裝飛輪前應(yīng)對(duì)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(cè)。

      在飛輪后端而最外端進(jìn)行測(cè)量，其圓跳動(dòng)量應(yīng)不大于0.20mm（參考值）。如果圓跳動(dòng)量過大則應(yīng)查明原因，必要時(shí)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(cuò)會(huì)使飛輪上的正時(shí)標(biāo)記失準(zhǔn)。緊固飛輪螺栓時(shí)，應(yīng)將曲軸固定。對(duì)于齒輪室前置柴油發(fā)電機(jī)，在安裝飛輪前應(yīng)完成飛輪殼、曲軸后油封裝配；對(duì)于齒輪室后置柴油發(fā)電機(jī)，在安裝飛輪前，應(yīng)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(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)是一種常見的發(fā)電設(shè)備，而曲軸則是柴油機(jī)的核心部件之一。在柴油機(jī)維修中，曲軸的拆卸和安裝是一項(xiàng)非常重要的工作，需要耐心和細(xì)致,避免因操作不當(dāng)而導(dǎo)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(yīng)嚴(yán)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(hù)柴油機(jī)的正常運(yùn)行。

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