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技术维修与康明斯知识

柴油发电机曲轴弯扭校正及量表的使用要求

 

摘要：曲轴作为柴油机核心零件之一，柴油机的全部功率都通过它输出。此外，它通过装在其自由端的齿轮传动，达到配气定时、供油定时及驱动其它辅助装置，所以说曲轴如果出现了故障，不能按要求完成工作，柴油机也将无法正常工作。曲轴变形是曲轴常见损伤之一。曲轴变形是指曲轴弯曲和扭转。曲轴弯曲变形反映较明显的部位是中间主轴颈处。曲轴弯曲变形后若继续使用，将加速曲轴连杆机构的磨损，甚至使曲轴产生裂纹和断裂。因此，在柴油机修理中，必须对曲轴的弯曲变形现象进行正确的检查和校正。

 

一、曲轴的工作条件及变形特征

 

      曲轴的扭曲变形，多数原因是个别活塞卡缸造成的，如个别缸塞间隙过小，或活塞受热后膨胀过大，使活塞运动阻力过大，甚至卡缸，将导致曲轴的扭曲。在拖拉机挂车时，起步过猛和紧急制动未踏下离合器等原因，都会引起曲轴的扭曲变形。预防曲轴变形就要从曲轴产生变形的原因入手，主要应从提高使用操作水平，避免过大的冲击载荷，及时保养维修，以保证柴油机始终在良好工况下工作，从提高修理和装配质量等方面着手。

1、曲轴的工作条件

      柴油机的曲轴工作状态如图1所示。其中，主轴颈是受力最大的部位，也是最容易产生弯曲变形的零件部位，其在曲轴上的位置标示如图2所示。

（1）承受燃烧气体的压力、活塞连杆组往复运动的惯性力和旋转质量的离心力；

（2）燃烧气体的压力、活塞连杆组往复运动的惯性力和旋转质量的离心力产生的力矩；

（3）油膜脉动的挤压应力；

（4）旋转运动速度高；

（5）巳润滑条件较好，但受到较多杂质的冲刷作用。

 

图1  柴油机曲轴工作状态示意图

图2  柴油机曲轴数学模型示意图

 

2、曲轴变形特征

      曲轴自重下沉导致曲轴发生弹性变形，则在曲轴旋转过程中，各曲柄颈开挡会出现周期性的收张变形，开挡的变形会促使主轴颈出现弹性窜动现象，这种变化是有规律的。

（1）伸张变形

      当曲柄颈旋至位置高于主轴颈纵向中心位置时，曲柄颈开挡会发生伸张变形，曲柄颈开挡的伸张变形会导致其相邻主轴颈向曲柄颈方向出现弹性窜动。伸张变形示意图如图3所示。

（2）收缩变形

      当曲柄颈旋至位置低于主轴颈纵向中心位置时，曲柄颈开挡会出现收缩变形，曲柄颈开挡的收缩变形会导致其相邻主轴颈向曲柄颈对面方向出现弹性窜动。收缩变形示意图如图4所示。

      据康明斯公司的售后部检测记录统计分析，同一曲柄颈在互成180°位置下，其曲柄颈开挡的伸张量和收缩量互成相反数且绝对值是相等的。故可判定曲柄颈开挡的伸张和收缩变形对其相邻主轴颈弹性窜动影响值的绝对值也是相等的。

3、曲轴故障原因

① 柴油发电机工作不平稳，各轴颈受力不均衡；

② 柴油发电机突然超负荷工作，使曲轴过分受振；

③ 柴油发电机经常发生“突爆”燃烧；

④ 曲轴轴承和连杆轴承间隙过大，工作时受到冲击；

⑤ 曲轴轴承松紧不一，中心线不在一直线上；

⑥ 各缸活塞重量不一致；

⑦ 曲轴端隙过大，运转时前后移动。

      当曲轴弯、扭超过一定值后，将加速曲轴和轴承的磨损，严重时会使曲轴出现裂纹甚至折断，同时还会加速活塞连杆组和汽缸的磨损。

 

图2  曲轴曲柄颈开档伸张变形示例图

图3  曲轴曲柄颈开档收缩变形示例图

 

二、曲轴弯曲检查工具与步骤

 

1、检验前的准备

（1）熟悉、掌握相关检验标准、工具。熟悉、掌握各类机械零件检验所涉及的国家标准、行业标准及企业标准和所用的检验工具，是检验人员的基本功，也是对检验人员的基本要求。

（2）分析零件图。零件图是机械零件加工和检验的主要依据，检验人员要通过对机械零件图的分析，了解所要检验零件的名称、所用材料、规格、形体结构和大小，分清零件尺寸中的定形尺寸、定位尺寸、关键尺寸，分清零件的精加工面、粗加工面和非加工面，分析零件在整机中的作用。

（3）分析工艺文件。工艺文件是机械零件加工、检验的指导书，检验人员要按照零件的加工顺序对零件每个工序加工的部位、尺寸、工序余量、工艺尺寸换算进行分析，同时应了解关键工序的装夹方法、定位基准和所使用的设备、夹具、刀具等技术要求。

（4）合理选用量具。分析好图纸和工艺文件后，根据待检工件的几何形状、尺寸大小、生产批量等选用合适的检测工具。如测量带公差的内孔尺寸时应选用卡尺、钢板尺、内径百分表或内径千分尺等，测量带公差装轴承的轴时应选用卡尺、千分尺、钢板尺等。有些被检零件用目前现有的检验工具不能直接检验，这时检验人员要根据实践经验和理论知识，对现有的检验工具进行改造，或选用精密度更高的自动化检测工具的制作。

2、检测工具的技术要求

      曲轴量表的定义是是将活动测量头的直线位移，通过机械传动机构转变为指针在表刻度盘上的角位移，由指针在表刻度盘上指示出读数的测量工具，结构示例如图5所示。其可示值总误差为在活动测量头工作行程范围内，由正行程方向测得的示值误差曲线上，高点与低点的差值。技术要求主要包含以下方面：

（1）曲轴量表上不得有影响使用性能的外部缺陷。

（2）曲轴量表在正常使用状态下，活动测量头的移动应平稳、灵活、无卡滞现象。

（3）曲轴量表活动测量头处于自由状态时，指针应位于从零位开始反时针方向30°~90°之间。

（4）具有转数指示盘的曲轴量表当转数指针指示在整转数时，长指针偏离零位应不大于15个刻度。

（5）曲轴量表刻度盘上的可先宽度和指针尖端的宽度规定如下：

① 表圈外径≦42mm的曲轴量表应为0.1~0.2mm。

② 表圈外径>42~60mm的曲轴量表应为0.15~0.25mm。

（6）曲轴量表指针尖端应盖过表盘上短刻线长度的30%~80%。

（7）曲轴量表指针尖端与表刻度盘之间的距离应不大于0.7mm。

（8）曲轴量表的钢制测量头，其测量表面的粗糙度Ra值为0.16μm。对于硬质合金的测量头，其测量面的表面粗糙度Ra值为0.32μm。

（9）曲轴量表的侧力规定如下：

① 测量范围为60~120mm的测力应不小于12N。任意1mm内测力变化应不大于1.5N。

② 测量范围为120~500mm的测力应不小于20N。任意1mm内测力变化应不大于3N。

3、曲轴弯扭的检查方法

      曲轴弯曲的检查可在曲轴磨床上或在平台上用“V”型铁将曲轴架起，用百分表测量检查，如图6所示。

（1）曲轴弯曲检测

      检查弯曲时，将百分表触针放在中间一道主轴颈上，并使指针对正表盘零线。然后将曲轴慢慢转动一周，则百分表上指针摆动的一半即为曲轴的不直度。曲轴的不直度不应大于0.05mm。若大于此值时，但仍在0.1mm之内，则不直度可以结合轴颈光磨加以消除。当不直度大于0.1 mm时，必须进行冷压矫直。

（2）曲轴扭曲检测

      检查曲轴的扭曲时，同样需要把曲轴置于“V”型铁上或安装在机床顶尖上。使同位连杆两轴颈（如6个气缸曲轴的I、VI缸连杆轴颈；4个气缸曲轴的I、VI缸连杆轴颈）位于上止点，再用高度百分尺测量同一水平面内两连杆轴颈的高度，其高度之差即为曲轴的扭曲量。差值越大，说明扭转角越大。如扭转角大于30°,要进行校正。当曲轴扭曲轻微时，可以通过轴颈表面光磨予以消除。如扭曲量大，则必须另行校正。

 

图5  曲轴量表检测装置结构图

图6  曲轴弯曲检查步骤图

 

三、曲轴弯扭校正方法

 

      大修入厂修理的曲轴均存在不同程度的弯曲变形。一般来说，曲轴变形都是小范围的塑性变形。即使如此，也必须进行曲轴的矫直处理。曲轴的矫直应满足曲轴的同轴度和允许跳动量达到规定要求；矫直后曲轴的技术性能不下降；曲轴的弯曲率不宜超过1.5mm/m的要求。当矫正弯曲率大于1.5mm/m的曲轴具有较大风险，因此应予以更换新曲轴。

（1）冷压校正

      将曲轴用V型铁架住主轴颐，从弯曲相反方向加压，在压头与主轴颈之间垫一铜块。由于曲轴富有弹性，压弯量应为曲轴弯曲量的10~15倍，并保持2min,再撤除压力。如果弯曲量较大（超过1mm）,则应分数次校正，以免一次加压过大而引起反向变形。冷压校正的效果不够稳定，曲轴工作时易恢复原来的变形。同时校正后会在轴颈表层产生塑性变形和残余内应力，造成应力集中。

（2）敲击校正

      对弯曲度不大的曲轴，可以采用“表面敲击”法进行校正。可根据曲轴弯曲的方向和程度，用球形手锤或气锤沿曲轴臂部的左右侧进行敲击，使曲轴臂部变形，从而使曲轴轴线发生位移，达到校正曲轴的目的。曲轴校正前状态如图7所示，校正后状态如图8所示。

（3）就机校正

      把气缸体倒放在工作平台上，在前后两轴承座上仍装上旧轴承（瓦）,中间轴承则拿掉。在轴承上加注少许润滑油，然后将曲轴放上，在缸体边沿装置百分表。用手轻轻转动曲轴，在中间轴颈测出弯曲的最大位置，用粉笔做上记号，再将轴承盖衬垫软铝或其他软质物品垫实，卡住轴颈，慢慢扭紧曲轴轴承盖螺栓。等大约1h的时间，把螺栓松开，用百分表测验是合校正，如未达到允许标准，继续再校，直至符合要求为止。

（4）热烘顶压法

      在弯曲处的曲柄臂之间加一顶压螺栓，按直线度数值的大小，向弯曲的相反方向顶压，具体顶弯多大，应由实际经验而定。然后在顶压螺栓两旁曲柄臂上，用喷灯均匀加热至300℃左右，待曲轴冷却后，拆除顶压螺栓，检查曲轴直线度。如此反复进行，直到将曲轴校直为止。上述加热其目的是加速变形，稳定校直效果，减少残余变形，从而减少了弹性回复。

（5）磨削校直法

      对直线度大于0.06mm或小于0.10mm的曲轴，通常在曲轴的修磨过程中进行校直。

      以上几种校直曲轴的方法，仅适用于整体式曲轴，而不适用于组合式曲轴。

 

图7  表面敲击法校正曲轴方法（校正前形态）

图8  表面敲击法校正曲轴方法（校正后形态）

 

总结：

      主轴颈是曲轴的重要部位，是整个曲轴加工的基准，主轴颈加工质量决定了曲轴的加工质量，主轴弯曲状况准确检测数据是指导曲轴机械加工过程和使用的重要依据。曲轴加工图样只对主轴颈弯曲状况有偏差要求，但对使用何种检测方法无标准要求。错位的检测方法，会导致检测出的主轴颈弯曲结果不同，差异较大，使主轴颈弯曲状况不能得到正确反映，从而影响曲轴的加工质量。因此，以上所述的检测和校正方法应使用精度良好的工具进行，避免出现因精度偏差而致使曲轴加工成不符合技术要求的产品。

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