康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

柴油发电机的曲轴拆卸和安装要点

 

导读：曲轴是柴油发电机的曲柄飞轮组中最重要的零部件，其主要作用是通过连杆将柴油发电机气缸内活塞的直线运动转化为旋转运动，以及把活塞做的功转变为转矩通过曲轴输出。曲轴的工作环境恶劣，在工作时，曲轴承载着气体力、往复惯性力和旋转惯性力以及它们产生的力矩，这些载荷和产生的振动使曲轴承受复杂的扭转和弯曲应力。因此，要求曲轴具有足够的刚度、强度和尺寸精度。本文内容主要分享关于康明斯柴油发电机曲轴结构组成、影响寿命的因素、以及加工、拆卸和安装方法。

 

一、曲轴的结构组成

 

      柴油发电机的曲轴主要由主轴颈、连杆轴颈（又称曲柄销）、曲柄臂、平衡重块、前端及后端等部分组成，3D外观如图1所示，结构示例如图2所示。

1、主轴颈和连杆轴颈

      主轴颈与连杆轴颈都是尺寸精度较高的圆柱体，它们与曲柄臂相连接，组成曲柄。主轴颈是用来支撑曲轴的，曲轴绕主轴颈中心高速运转。连杆轴颈则是用来与连杆大端相连接的。
曲柄臂:曲柄臂的作用是连接主轴颈与连杆轴颈，通常制成椭圆形或圆形，其厚度与宽度应使曲轴有足够的刚度和强度。平衡重块，平衡重块通常设在与连杆轴颈相对的一侧曲轴臂上，形状多为扇形。平衡重块的作用是平衡连杆轴颈及陆柄臂的重量、离心力及其力矩，以减轻主轴承的负荷，增加运转时的平衡性能。

2、曲轴前端

      曲轴的前端装有皮带轮，用以安装直接或间接驱动风扇、水泵及充电机等的皮带。它上面还装有正时齿轮、油封等。

3、曲轴后端

      曲轴后端装有法兰盘，用螺栓紧固连接飞轮，还设置有油封、回油槽等。

4、主轴承和连杆轴承

      主轴承和连杆轴承用来与主轴颈和连杆轴颈形成良好的摩擦副，以减少摩擦损失。大部分柴油发电机采用摩擦表面有耐磨合金层的滑动轴承。此轴承做成剖分式，俗称轴瓦。上轴瓦和下轴瓦之间用主轴承螺栓固紧，在轴瓦中还有油孔和油槽，并与主轴颈中的油孔相通，润滑油从孔内流通，以强制润滑主轴承摩擦表面和连杆轴颈摩擦表面。另外，现在有许多柴油发电机的主轴承采用滚动轴承，这样做的结果使主轴承的润滑由压力式润滑变成了飞溅式润滑，减少了润滑油管路，但是使用滚动轴承会使柴油发电机的工作噪音有所增加，使用耐磨合金轴瓦可以有效地降低曲轴转动时的噪音，但是必须增加主轴承的润滑强度。

5、飞轮

      飞轮的主要作用是存储做功冲程产生的能量，克服其他冲程的阻力，以保持曲轴旋转的连续性和均匀性，使柴油发电机运转平稳。飞轮多是由灰口铸铁或球墨铸铁制成的大圆盘，轮边尺寸宽而厚，这是因为在重意一定的情况下，可获得较大的转动惯量。飞轮在轮边刻有第1缸活塞位于上止点的标记，可根据此标记调整柴油发电机的配气正时、供油或点火提前角。

 

图1  柴油机曲轴3D模型图

图2  柴油发电机曲轴结构图

 

二、影响曲轴寿命的因素和预防措施

1、不平衡载荷的影响

（1）不平衡重量。

      在磨曲轴时，连杆轴颈尺寸变小后，与原始出厂相比，重量会减小。

（2）不平衡力臂

      曲轴弯曲所采用的磨主轴颈的方法来保证各个主轴颈的同心度工艺，会导致主轴重量减小，主轴轴线向曲柄方向平移，产生不平衡力臂。

（3）不平衡转矩

      不平衡重量和不平衡力臂导致不平衡转矩产生。曲轴旋转运动时，不平衡转矩加剧了曲轴的扭振作用。 在柴油发电机曲轴的修理过程中，不平衡离心力对曲轴的工作影响不可忽视，应想办法消除不平衡离心力对曲轴寿命的影响。

2、扭振临界转速的影响

      柴油发电机运转时，曲轴系统受到大小和方向周期性变化着的气体压力和运动零件惯性力的作用，这些力会使曲轴相对于飞轮发生扭转变形而引起扭振，即强制振动。柴油发电机运转时，易在工作转速范围内发生强烈共振，发生共振时的曲轴转速即临界转速，轻则引发较大的噪声，加剧与曲轴相连齿轮系的磨损，重则使曲轴扭断。柴油发电机曲轴的自振频率是8000次／min左右，当柴油发电机的转速为临界转速的某一分数时，曲轴的扭振振幅也可以超出允许限度。如果柴油发电机工作过程中，把其转速设置在主临界转速次临界转速这两个转速附近，对曲轴来说都是比较危险的。

3、修理方法不当的影响

（1）渗氮层厚度的减少

      原厂的柴油发电机曲轴颈表面经氮化处理，具有较高的耐磨性。经过磨修后，轴颈表面渗氮层的厚度减少，降低了曲轴的抗疲劳性和耐磨性。

（2）未进行动平衡调试

      曲轴经过磨修或矫直后，若不进行动平衡调试，未使不平衡载荷得到有效控制，曲轴的疲劳强度会大大降低。

（3）过渡圆角变小

      经过磨修后的曲轴，各个过渡圆角半径R比设计图纸上标注的小，致使曲轴过渡圆角处应力集中加大，易促成曲轴在此产生初始微观裂纹。

4、局部结构不合理的影响

      主要原因是连杆轴颈表面油道口的位置及油道方向不当，致使在局部形成的油膜质量变差，导致曲轴的连杆轴颈内侧磨损大，轴颈椭圆度超差，从而磨修曲轴，进而导致不平衡载荷的产生。尤其是当活塞处于膨胀做功下行过程中，连杆轴颈旋转到某特定位置时，使其承载宽度变小，单位面积上承受的压力相对较高，油膜易遭破坏；其次，当连杆大头中心旋转至主轴轴线以下位置时，连杆轴瓦内表面相对连杆轴颈表面滑动速度较低，油膜厚度变薄，均使轴颈表面产生磨损；油道方向不当也降低了润滑油的相对流动速度，致使所形成的油膜质量变差。除此之外，曲轴意外负荷突增、冲击、使用维护不当，均可促成曲轴断裂。

5、预防曲轴磨损伤的措施

（1）设置柴油发电机工作转速时，避开临界转速，主临界转速和次临界转速。

（2）改变连杆轴颈表面油道口位置和油道方向。当连杆轴颈表面承受连杆较大的单位面积作用力时，避免油道口附近表面处于较高压力位置；通过改变油道方向提高润滑油的相对流动速度，从而改善连杆轴颈内侧磨损大的现象。避免在一次大修周期内连杆轴颈偏磨或减小连杆轴颈偏磨，就可以在大修时按照修理标准要求不磨曲轴或减少磨削量。

（3）加大过渡圆角半径。使得R/D>0.05或R=0.05～0.06D（R—圆角半径，D—主轴直径或连杆轴径），减小有效应力集中系数。

（4）渗氮。磨轴磨削量超过一定厚度后，进行表面渗氮处理，以增加曲轴的耐磨性和抗挤强度。

（5）做动平衡试验并配重。每次曲轴磨修完后，做动平衡试验并配重，保证大修质量。

（6）严格认真执行柴油发电机使用、维护、修理相关标准与规定。

 

三、曲轴拆卸、安装及加工方法

 

1、曲轴拆卸步骤

      拆装曲轴需要扳手、套筒、扭力扳手、拉杆、螺栓等工具。检查工具状态确保不会损坏螺纹。以四缸机为例，曲轴拆卸的具体方法如下：

（1） 将汽缸体倒置在工作台上,旋松飞轮紧固螺钉， 拆卸飞轮（飞轮较重， 拆卸时注意安全）。

（2）拆卸正时链轮，首先松开张紧轮，取下链轮时注意链轮上的正时标志和传动方向。

（3）拆卸曲轴前端及后端密封凸缘及油封。

（4）拆下曲轴主轴承盖紧固螺栓，不能一次全部拧松，必须分次从两端到中间逐步拧松， 取下主轴承盖。 注意： 各缸主轴承盖有装配标记， 不同缸的主轴承盖及轴瓦不能互相调换。

（5）抬下曲轴，再将主轴承盖及垫片按原位装回，并将固定螺钉拧入少许。注意曲轴推力、轴承的定位及开口的安装方向。

2、曲轴的加工步骤

      以康明斯NT855系列柴油机曲轴为例，样品如图3所示，加工部位如图4所示。

（1）对柴油发电机曲轴的主轴颈和连杆颈进行粗车，控制粗车后的主轴颈直径和连杆颈直径；

（2）对连杆颈精车，控制精车后的连杆颈直径；

（3）对主轴颈进行半精磨，控制半精磨后的主轴颈直径和开档宽度；

（4）对连杆颈进行半精磨，控制半精磨后的连杆颈直径和开档尺寸；

（5）在主轴颈和连杆颈上滚压圆角；

（6）对主轴颈进行二次半精磨；

（7）以设定的主轴颈作为定位，对连杆颈进行精磨，控制精磨后的连杆颈直径和开档宽度；

（8）对主轴颈进行精磨，并控制精磨后的主轴颈直径和开档宽度。

      以上曲轴加工方法通过粗车‑精车‑半精磨‑二次半精磨‑精磨的步骤提高了曲轴的疲劳强度。

 

图3  柴油机曲轴加工样品示意图

图4  曲轴颈和连杆颈的加工部位和方法

 

3、曲轴安装步骤

      在安装曲轴之前，需要先将曲轴进行清洗和检查，确保曲轴表面光滑无损。同时，需要准备好相应的工具，如扳手、千斤顶、起重机等。

（1）将气缸体置于工作台或翻转架上，用压缩空气将清洗后的气缸体和曲轴吹干，油道应重点吹扫。

（2）将机体倒置，将主轴瓦装到轴承座孔中，确认定位吐舌正确入位。最后在每片瓦上涂抹机油。

注意：  瓦背不得涂抹机油。  如果轴瓦为旧件，则要保证原位装复，不得换位安装。检查轴瓦弹张量，用力压入为合适，如果无需用力轴瓦即可入位，则说明弹张量不足，应该换新件。  通常上主轴瓦有油孔，而下主轴瓦没有油孔，不得装错。  一些柴油发电机的各道轴五零件号可能不同，注意区分，不得装错。 

（3）将曲轴置于气缸体轴承座孔内，曲轴较重时使用吊装设备。将下轴瓦装人轴承盖中，确认定位叶舌正确人位。最后在每片五上涂抹机油。轴承盖按正确位置和方向装在气缸体上。多数柴油发电机主轴承盖上的箭头指向柴油发电机前端（以维修手册说明为准）

（7）由中间向两端拧紧各道轴承盖螺栓，然后用扭力扳分三次（或以上）拧紧至规定力矩。拧紧后，用一只手扳动曲轴，曲轴应转动自如，否则应查明原因并及时处理。

注意：  每个轴承盖的两个螺栓应交替拧紧，以便轴承盖顺利入位。  用于曲轴轴向定位的止推片应在安装轴承盖时装人，注意装配方向：有含油槽的一侧朝向曲轴。有些柴油发电机采用翻边瓦（即止推片与轴制成一体），应整体安装。  主轴承盖螺栓拧紧次序和力矩标准应按维修手册要求进行。例如康明斯ISM柴油发电机按下列步骤拧紧主轴承螺栓。 一些柴油发电机机体后平面设有凸轮轴塞堵、主油道油堵，安装飞轮壳体时应先将这些零件装好。 一些较小的机型，为便于操作，飞轮壳体和飞轮可以最后安装，装配中需要盘转曲轴时，可将飞轮暂时装上。

（8）安装飞轮。

      应交叉分数次拧紧飞轮螺栓至规定力矩。安装飞轮前应对齿圈进行检查，必要时进行更换。

（9）飞轮工作表面的轴向圆跳动检测。

      在飞轮后端而最外端进行测量，其圆跳动量应不大于0.20mm（参考值）。如果圆跳动量过大则应查明原因，必要时更换飞轮。

注意： 飞轮上的定位销不得漏装，否则飞轮位置装错会使飞轮上的正时标记失准。紧固飞轮螺栓时，应将曲轴固定。对于齿轮室前置柴油发电机，在安装飞轮前应完成飞轮壳、曲轴后油封装配；对于齿轮室后置柴油发电机，在安装飞轮前，应先完成飞轮壳、凸轮轴（中、下置式）、齿轮室和曲轴后油封的装配。

 

总结：

      柴油发电机是一种常见的发电设备，而曲轴则是柴油机的核心部件之一。在柴油机维修中，曲轴的拆卸和安装是一项非常重要的工作，需要耐心和细致,避免因操作不当而导致曲轴变形。此外，所有的部件都要全面检查清洗后再安装，同时应严格按照扭矩要求进行拧紧,确保曲轴工作寿命。因此，只有掌握了正确的拆卸和安装方法，才能更好地维护柴油机的正常运行。

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