技術維修與康明斯知識

柴油發電機曲軸彎扭校正及量表的使用要求

 

摘要：曲軸作為柴油機核心零件之一，柴油機的全部功率都通過它輸出。此外，它通過裝在其自由端的齒輪傳動，達到配氣定時、供油定時及驅動其它輔助裝置，所以說曲軸如果出現了故障，不能按要求完成工作，柴油機也將無法正常工作。曲軸變形是曲軸常見損傷之一。曲軸變形是指曲軸彎曲和扭轉。曲軸彎曲變形反映較明顯的部位是中間主軸頸處。曲軸彎曲變形后若繼續使用，將加速曲軸連桿機構的磨損，甚至使曲軸產生裂紋和斷裂。因此，在柴油機修理中，必須對曲軸的彎曲變形現象進行正確的檢查和校正。

 

一、曲軸的工作條件及變形特征

 

      曲軸的扭曲變形，多數原因是個別活塞卡缸造成的，如個別缸塞間隙過小，或活塞受熱后膨脹過大，使活塞運動阻力過大，甚至卡缸，將導致曲軸的扭曲。在拖拉機掛車時，起步過猛和緊急制動未踏下離合器等原因，都會引起曲軸的扭曲變形。預防曲軸變形就要從曲軸產生變形的原因入手，主要應從提高使用操作水平，避免過大的沖擊載荷，及時保養維修，以保證柴油機始終在良好工況下工作，從提高修理和裝配質量等方面著手。

1、曲軸的工作條件

      柴油機的曲軸工作狀態如圖1所示。其中，主軸頸是受力最大的部位，也是最容易產生彎曲變形的零件部位，其在曲軸上的位置標示如圖2所示。

（1）承受燃燒氣體的壓力、活塞連桿組往復運動的慣性力和旋轉質量的離心力；

（2）燃燒氣體的壓力、活塞連桿組往復運動的慣性力和旋轉質量的離心力產生的力矩；

（3）油膜脈動的擠壓應力；

（4）旋轉運動速度高；

（5）巳潤滑條件較好，但受到較多雜質的沖刷作用。

 

圖1  柴油機曲軸工作狀態示意圖

圖2  柴油機曲軸數學模型示意圖

 

2、曲軸變形特征

      曲軸自重下沉導致曲軸發生彈性變形，則在曲軸旋轉過程中，各曲柄頸開擋會出現周期性的收張變形，開擋的變形會促使主軸頸出現彈性竄動現象，這種變化是有規律的。

（1）伸張變形

      當曲柄頸旋至位置高于主軸頸縱向中心位置時，曲柄頸開擋會發生伸張變形，曲柄頸開擋的伸張變形會導致其相鄰主軸頸向曲柄頸方向出現彈性竄動。伸張變形示意圖如圖3所示。

（2）收縮變形

      當曲柄頸旋至位置低于主軸頸縱向中心位置時，曲柄頸開擋會出現收縮變形，曲柄頸開擋的收縮變形會導致其相鄰主軸頸向曲柄頸對面方向出現彈性竄動。收縮變形示意圖如圖4所示。

      據康明斯公司的售后部檢測記錄統計分析，同一曲柄頸在互成180°位置下，其曲柄頸開擋的伸張量和收縮量互成相反數且絕對值是相等的。故可判定曲柄頸開擋的伸張和收縮變形對其相鄰主軸頸彈性竄動影響值的絕對值也是相等的。

3、曲軸故障原因

① 柴油發電機工作不平穩，各軸頸受力不均衡；

② 柴油發電機突然超負荷工作，使曲軸過分受振；

③ 柴油發電機經常發生“突爆”燃燒；

④ 曲軸軸承和連桿軸承間隙過大，工作時受到沖擊；

⑤ 曲軸軸承松緊不一，中心線不在一直線上；

⑥ 各缸活塞重量不一致；

⑦ 曲軸端隙過大，運轉時前后移動。

      當曲軸彎、扭超過一定值后，將加速曲軸和軸承的磨損，嚴重時會使曲軸出現裂紋甚至折斷，同時還會加速活塞連桿組和汽缸的磨損。

 

圖2  曲軸曲柄頸開檔伸張變形示例圖

圖3  曲軸曲柄頸開檔收縮變形示例圖

 

二、曲軸彎曲檢查工具與步驟

 

1、檢驗前的準備

（1）熟悉、掌握相關檢驗標準、工具。熟悉、掌握各類機械零件檢驗所涉及的國家標準、行業標準及企業標準和所用的檢驗工具，是檢驗人員的基本功，也是對檢驗人員的基本要求。

（2）分析零件圖。零件圖是機械零件加工和檢驗的主要依據，檢驗人員要通過對機械零件圖的分析，了解所要檢驗零件的名稱、所用材料、規格、形體結構和大小，分清零件尺寸中的定形尺寸、定位尺寸、關鍵尺寸，分清零件的精加工面、粗加工面和非加工面，分析零件在整機中的作用。

（3）分析工藝文件。工藝文件是機械零件加工、檢驗的指導書，檢驗人員要按照零件的加工順序對零件每個工序加工的部位、尺寸、工序余量、工藝尺寸換算進行分析，同時應了解關鍵工序的裝夾方法、定位基準和所使用的設備、夾具、刀具等技術要求。

（4）合理選用量具。分析好圖紙和工藝文件后，根據待檢工件的幾何形狀、尺寸大小、生產批量等選用合適的檢測工具。如測量帶公差的內孔尺寸時應選用卡尺、鋼板尺、內徑百分表或內徑千分尺等，測量帶公差裝軸承的軸時應選用卡尺、千分尺、鋼板尺等。有些被檢零件用目前現有的檢驗工具不能直接檢驗，這時檢驗人員要根據實踐經驗和理論知識，對現有的檢驗工具進行改造，或選用精密度更高的自動化檢測工具的制作。

2、檢測工具的技術要求

      曲軸量表的定義是是將活動測量頭的直線位移，通過機械傳動機構轉變為指針在表刻度盤上的角位移，由指針在表刻度盤上指示出讀數的測量工具，結構示例如圖5所示。其可示值總誤差為在活動測量頭工作行程范圍內，由正行程方向測得的示值誤差曲線上，高點與低點的差值。技術要求主要包含以下方面：

（1）曲軸量表上不得有影響使用性能的外部缺陷。

（2）曲軸量表在正常使用狀態下，活動測量頭的移動應平穩、靈活、無卡滯現象。

（3）曲軸量表活動測量頭處于自由狀態時，指針應位于從零位開始反時針方向30°~90°之間。

（4）具有轉數指示盤的曲軸量表當轉數指針指示在整轉數時，長指針偏離零位應不大于15個刻度。

（5）曲軸量表刻度盤上的可先寬度和指針尖端的寬度規定如下：

① 表圈外徑≦42mm的曲軸量表應為0.1~0.2mm。

② 表圈外徑>42~60mm的曲軸量表應為0.15~0.25mm。

（6）曲軸量表指針尖端應蓋過表盤上短刻線長度的30%~80%。

（7）曲軸量表指針尖端與表刻度盤之間的距離應不大于0.7mm。

（8）曲軸量表的鋼制測量頭，其測量表面的粗糙度Ra值為0.16μm。對于硬質合金的測量頭，其測量面的表面粗糙度Ra值為0.32μm。

（9）曲軸量表的側力規定如下：

① 測量范圍為60~120mm的測力應不小于12N。任意1mm內測力變化應不大于1.5N。

② 測量范圍為120~500mm的測力應不小于20N。任意1mm內測力變化應不大于3N。

3、曲軸彎扭的檢查方法

      曲軸彎曲的檢查可在曲軸磨床上或在平臺上用“V”型鐵將曲軸架起，用百分表測量檢查，如圖6所示。

（1）曲軸彎曲檢測

      檢查彎曲時，將百分表觸針放在中間一道主軸頸上，并使指針對正表盤零線。然后將曲軸慢慢轉動一周，則百分表上指針擺動的一半即為曲軸的不直度。曲軸的不直度不應大于0.05mm。若大于此值時，但仍在0.1mm之內，則不直度可以結合軸頸光磨加以消除。當不直度大于0.1 mm時，必須進行冷壓矯直。

（2）曲軸扭曲檢測

      檢查曲軸的扭曲時，同樣需要把曲軸置于“V”型鐵上或安裝在機床頂尖上。使同位連桿兩軸頸（如6個氣缸曲軸的I、VI缸連桿軸頸；4個氣缸曲軸的I、VI缸連桿軸頸）位于上止點，再用高度百分尺測量同一水平面內兩連桿軸頸的高度，其高度之差即為曲軸的扭曲量。差值越大，說明扭轉角越大。如扭轉角大于30°,要進行校正。當曲軸扭曲輕微時，可以通過軸頸表面光磨予以消除。如扭曲量大，則必須另行校正。

 

圖5  曲軸量表檢測裝置結構圖

圖6  曲軸彎曲檢查步驟圖

 

三、曲軸彎扭校正方法

 

      大修入廠修理的曲軸均存在不同程度的彎曲變形。一般來說，曲軸變形都是小范圍的塑性變形。即使如此，也必須進行曲軸的矯直處理。曲軸的矯直應滿足曲軸的同軸度和允許跳動量達到規定要求；矯直后曲軸的技術性能不下降；曲軸的彎曲率不宜超過1.5mm/m的要求。當矯正彎曲率大于1.5mm/m的曲軸具有較大風險，因此應予以更換新曲軸。

（1）冷壓校正

      將曲軸用V型鐵架住主軸頤，從彎曲相反方向加壓，在壓頭與主軸頸之間墊一銅塊。由于曲軸富有彈性，壓彎量應為曲軸彎曲量的10~15倍，并保持2min,再撤除壓力。如果彎曲量較大（超過1mm）,則應分數次校正，以免一次加壓過大而引起反向變形。冷壓校正的效果不夠穩定，曲軸工作時易恢復原來的變形。同時校正后會在軸頸表層產生塑性變形和殘余內應力，造成應力集中。

（2）敲擊校正

      對彎曲度不大的曲軸，可以采用“表面敲擊”法進行校正。可根據曲軸彎曲的方向和程度，用球形手錘或氣錘沿曲軸臂部的左右側進行敲擊，使曲軸臂部變形，從而使曲軸軸線發生位移，達到校正曲軸的目的。曲軸校正前狀態如圖7所示，校正后狀態如圖8所示。

（3）就機校正

      把氣缸體倒放在工作平臺上，在前后兩軸承座上仍裝上舊軸承（瓦）,中間軸承則拿掉。在軸承上加注少許潤滑油，然后將曲軸放上，在缸體邊沿裝置百分表。用手輕輕轉動曲軸，在中間軸頸測出彎曲的最大位置，用粉筆做上記號，再將軸承蓋襯墊軟鋁或其他軟質物品墊實，卡住軸頸，慢慢扭緊曲軸軸承蓋螺栓。等大約1h的時間，把螺栓松開，用百分表測驗是合校正，如未達到允許標準，繼續再校，直至符合要求為止。

（4）熱烘頂壓法

      在彎曲處的曲柄臂之間加一頂壓螺栓，按直線度數值的大小，向彎曲的相反方向頂壓，具體頂彎多大，應由實際經驗而定。然后在頂壓螺栓兩旁曲柄臂上，用噴燈均勻加熱至300℃左右，待曲軸冷卻后，拆除頂壓螺栓，檢查曲軸直線度。如此反復進行，直到將曲軸校直為止。上述加熱其目的是加速變形，穩定校直效果，減少殘余變形，從而減少了彈性回復。

（5）磨削校直法

      對直線度大于0.06mm或小于0.10mm的曲軸，通常在曲軸的修磨過程中進行校直。

      以上幾種校直曲軸的方法，僅適用于整體式曲軸，而不適用于組合式曲軸。

 

圖7  表面敲擊法校正曲軸方法（校正前形態）

圖8  表面敲擊法校正曲軸方法（校正后形態）

 

總結：

      主軸頸是曲軸的重要部位，是整個曲軸加工的基準，主軸頸加工質量決定了曲軸的加工質量，主軸彎曲狀況準確檢測數據是指導曲軸機械加工過程和使用的重要依據。曲軸加工圖樣只對主軸頸彎曲狀況有偏差要求，但對使用何種檢測方法無標準要求。錯位的檢測方法，會導致檢測出的主軸頸彎曲結果不同，差異較大，使主軸頸彎曲狀況不能得到正確反映，從而影響曲軸的加工質量。因此，以上所述的檢測和校正方法應使用精度良好的工具進行，避免出現因精度偏差而致使曲軸加工成不符合技術要求的產品。

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