前言：连杆是柴油机曲柄连杆机构中将活塞与曲轴连接起来的关键部件，承受着气体压力、往复惯性力与摆动惯性力等复杂交变载荷，其强度、刚度与重量直接影响机组的动力性、经济性与使用寿命。连杆一旦发生弯曲、扭曲或双重弯曲变形，将改变活塞销与曲轴中心线的平行度和与气缸中心线的垂直度，造成窜油窜气、活塞偏缸、敲缸异响，严重时导致拉缸与轴承偏磨。本文一方面介绍连杆最优化设计理论的应用方法，包括数学模型的建立、目标函数与设计变量的选取、约束条件的确定及有限元分析结果；另一方面系统阐述连杆变形的检验原理与判断依据，明确弯曲度、扭曲度与双重弯曲值的测量方法及更换规定，并介绍冷弯与热弯校正工艺及注意事项，最后补充连杆装配技术要求、运行维护检查与大修检查要点，为柴油机连杆的设计、检修与运行管理提供技术参考。
一、连杆优化设计理论应用
柴油发电机工作时，连杆承受着活塞传来的气体压力、活塞组的惯性力及连杆本身绕活塞销做变速摆动时的惯性力。这些都是复杂、急剧变化、带有冲击性的应力，因此，要求连杆具有足够的强度和刚度，并且重量要轻。一般常用优质中碳钢模锻或滚压成形。连杆是将活塞与曲轴连接起来的部件。它的作用是将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动。
1. 连杆优化理论的基本框架
应用最优化理论进行柴油机零件的优化设计，主要包括3个方面：
（1）数学模型的建立。将实际问题抽象为最优化设计的数学模型，即确定约束条件，选择合适的设计变量，确定需要设计的目标即目标函数；
（2）最优化方法的选择。通过分析选择最优化方法，画出计算流程图；
（3）编程调试与结果计算。按照流程图进行编程调试，计算出优化设计的结果。连杆的最优化设计可以归结为一个求解非线性规划问题。在本文中考虑到连杆的结构，采用有限元法进行分析。
2. 连杆最优化设计模型
（1）模型的基本形式。用最优化理论设计重量轻又安全可靠的连杆，可归结为下述最优化设计问题，即求解一个n维变量，使目标函数值达到最小。
（2）求解思路。连杆优化设计的核心是在满足强度、刚度与结构尺寸约束的前提下，寻求使连杆重量最轻或疲劳安全系数最大的设计参数组合，属于典型的约束非线性优化问题。
3. 目标函数的选取
（1）可选目标函数。根据设计要求可选取连杆的重量或连杆上最小疲劳安全系数的倒数作为目标函数，在此选连杆的重量为目标函数。
（2）选取依据。以重量为目标函数可直接实现轻量化设计目标；以最小疲劳安全系数的倒数为目标函数则侧重于可靠性优先。实际设计中应根据机组用途与设计要求权衡选择。
4. 设计变量的选取
（1）设计变量的基本构成。连杆结构的形状一般可以由若干段连续光滑的曲线所组成，这些曲线则由各自的系数来确定其形状，这些系数就是所要求解的设计变量。
（2）连杆小端的设计变量。在设计连杆时除了连杆大、小内径是预先给定的，其它外形尺寸一般都是特定的，如图1所示。对于连杆小端，其结构尺寸直径与厚度一般是在设计前已给定，且两偏心圆的偏心位置一般在很小的范围内变动，在连杆最优化设计前可通过试算预先决定。因此，只需一个设计变量就可以描述小端的外形。
（3）过渡处与杆身的设计变量。对于连杆大、小端过渡和杆身的外形，一般由分段连续的曲线组成。在通常的设计中，小端和大端过渡处一般由一段或几段圆弧来描述。为了适应连杆最优化设计的特点，采用二次插值抛物线来描述。由此设计变量个数不会比用圆弧来描述的多，而又更加合理地表示了过渡处的结构，而且实际上也未增加连杆的加工难度，并用直线描述连杆杆身。
（4）大端的设计变量。对于连杆的大端应优先考虑容易发生疲劳断裂部位的结构参数进行优化。
5. 约束条件的确定
（1）约束条件的必要性。为了保证连杆优化设计方案的可靠性，在进行优化设计的过程中，设计变量和一些参数必须满足相应的约束条件。
（2）具体约束条件。即应力约束条件、变形约束条件、疲劳安全系数、重量约束条件和设计变量约束条件。
（3）约束条件的处理。应力约束确保连杆在工作载荷下不超过材料许用应力；变形约束确保连杆大端与小端的变形量在允许范围内；疲劳安全系数约束保证连杆在交变载荷下具有足够的疲劳寿命；重量约束与设计变量约束则限定连杆外形尺寸的合理范围。
6. 计算结果与分析
（1）计算条件。在具体计算时，取连杆的重量为目标函数，设计变量共取6个，其有限元网格如图2所示。
（2）优化结果。连杆最优化结果见表1与表2，由此可见进行最优化设计的连杆在强度和刚度上都满足设计的情况下，其重量比原来连杆的重量有了很大的减少，其中强度较大部位的金属的重量被自动减少，而强度较小部分的金属被自动得到增强，其应力分布也比较合理。
表1
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方案
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设计变量/cm
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|||||
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初始方案
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3.1
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1.7
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1.7
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2.0
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2.1
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5.6
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最优方案
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2.677
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1.856
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1.712
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2.112
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2.242
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5.5
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表2
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方案
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参数
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|||||
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cm
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cm
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W（X）/kg
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初始方案
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71
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128
|
2.60
|
0.00240
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0.00140
|
2.888
|
|
最优方案
|
69
|
142
|
2.53
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0.00081
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0.00126
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2.165
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（3）结果分析。采用常规设计难于使连杆达到既轻又可靠的要求，而选用最优化方法并结合采用有限元法数值计算技术对连杆结构进行分析，则可圆满完成这一任务，并得出连杆最优化设计后的结构形状。在连杆结构的最优化设计计算中，向最优方案每探索一步，都要对连杆结构进行有限元分析，其目的是为最优化设计提供应力、变形及疲劳安全系数等的约束信息。
（4）动态修正方法。用有限元法对连杆结构在整个720°循环中进行动态分析，当然会得到非常理想的结果，但将使计算过于复杂，而机时也大大增加。因此，在最优化过程中可配合用计算较简便、结果也较准确且花费机时较少的最大拉、压工况下的有限元静力分析，而后对连杆上应力、变形最大及疲劳安全系数最小的特征部位的计算结果进行动态修正。修正值可通过对连杆最优化设计初始方案的动态分析或对已有连杆的动应力电测得到。
（5）数学模型建立要点。在连杆的最优化设计中，为了能求得一组最佳设计参数，以获得能满足强度、刚度及各种设计要求的最轻连杆，在建立数学模型时，可选用能描述连杆结构形状和尺寸大小的参数作为设计变量；以连杆的质量或连杆上各点处疲劳安全系数的最小值的倒数作为目标函数；以对应力、变形、最小疲劳安全系数及结构尺寸的限制建立约束条件。由于目标函数和约束条件的有关数值要通过对连杆结构的有限元分析得到，因此，其目标函数和约束条件一般都是隐式的。在选择设计变量时，既要使设计变量能尽量准确地描述连杆的结构形状，又要使设计变量的数目尽可能少，以节省计算时间。
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图1 柴油机连杆参数及尺寸示意图 |
图2 柴油机连杆有限元网格 |
二、连杆变形的检验
连杆的变形有弯曲变形、扭曲变形和双重弯曲等。连杆变形可在连杆检验仪上进行检验，连杆检验仪的测量工具是一个带有V形块的三点规。三点规上的三个点共面并与V形块垂直，下面两点的距离为100mm，上测点与下测点连线的垂直距离也是100mm。检验时，首先将连杆大端的轴承盖装好，不装连杆轴承，并按规定力矩将连杆螺栓拧紧，同时将标准心轴装入小头衬套的承孔中。然后将连杆大端套装在支承轴上，通过调整定位螺钉使支承轴扩张，将连杆固定在检验仪上。测量时，将三点规的V形槽靠在心轴上并推向检验平板。根据三点规的三个测点与检验平板的接触情况，可判断连杆的变形情况。
1. 无变形
如果三点规的三个测点都与检验平板接触，则连杆既无弯曲也无扭曲。
2. 弯曲变形
如果上测点与平板接触，下面两测点与平板不接触，且与平板间隙相等，或下面两测点与平板接触，而上测点与平板不接触，则表明连杆发生了弯曲（如图3所示），此时用塞尺测得测点与平板的间隙值，即为连杆在100mm长度上的弯曲度值。
3. 扭曲变形
如果只有一个下测点与平板接触，且上测点与平板的间隙等于另一个下测点与平板间隙值的1/2，表明连杆有扭曲变形（如图4所示）。此时下测点与平板的间隙即为连杆在100mm长度上的扭曲度值。
4. 双重弯曲变形
如果一个下测点与平板接触，但上测点与平板的间隙不等于另一个下测点与平板间隙的1/2，此时表明连杆同时存在弯曲变形和扭曲变形（如图5所示）。下测点与平板间的间隙为连杆在100mm长度上的扭曲值；上测点与平板的间隙和下测点与平板的间隙的1/2的差值，为连杆在100mm长度上的弯曲值。使连杆大端断面与平板贴靠，测出连杆小端断面与平板的距离a，将连杆翻转180°，用同样方法测出距离b，若两次测出的数值不等，说明连杆存在双重弯曲，两次测得的数值之差（a-b），即为双重弯曲值。
5. 连杆变形的更换规定
在柴油发电机维修技术标准中，对连杆的变形做了如下规定：连杆小端轴线与大端应在同一平面内，在该平面上的平行度公差为100:0.03，该平面的法向平面上的平行度公差为100:0.06。若连杆的弯曲度和扭曲度超过公差值时，应进行校正。连杆的双重弯曲通常不予校正，因为连杆大、小端对称平面偏移的双重弯曲极难校正，而双重弯曲对曲柄连杆机构的工作极为有害，因此应更换连杆。
6. 连杆变形的校正
经检验连杆有变形时，应记下连杆弯曲与扭曲变形的方向与数值，利用连杆校正仪进行校正，如图6所示。一般是先校正扭曲，后校正弯曲。如果连杆变形较小，可以送专业维修厂进行维修。若变形超过极限值，应直接更换。
（1）对于小幅度的变形，可以采用冷弯方式进行恢复。即将连杆放在夹具中，使用力量逐渐将其自然弯曲，使其恢复原状。
（2）对于较大的变形，需要进行热弯修复。将连杆进行加热，再用专业工具将其逐渐弯曲至原状。
提示：在修复完成后，需要进行定位和平衡校正，确保连杆安装后正常运转。
7. 校正注意事项
（1）必须装好曲轴的胶带轮、启动爪和止推轴承，以防止曲轴轴向移动过大，影响精度。
（2）为了拆装、测量方便，可先不装活塞环，将连杆组装入汽缸进行连杆校正。
（3）汽缸、活塞连杆组要保持清洁。
（4）当连杆出现既弯曲又扭曲时，应先校正弯曲，再校正扭曲。
（5）如果活塞在上、下止点偏缸的方向不一致，说明汽缸的中心线与曲轴中心线不垂直，很可能是在镗缸时出现偏差。
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图3 连杆弯曲检测 |
图4 连杆扭曲变形检测 |
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图5 连杆双重弯曲检测 |
图6 柴油机连杆校正示意图 |
三、连杆装配与运行维护要点
1. 连杆装配技术要求
（1）连杆螺栓的拧紧。连杆螺栓应按说明书规定的力矩与顺序分次拧紧，确保连杆大头与曲轴连杆轴颈的配合间隙符合要求。拧紧力矩过大可能导致螺栓塑性变形或螺纹损伤，过小则会造成连杆盖松动。
（2）连杆轴瓦的装配。连杆轴瓦应清洁无损，装配时应在轴瓦背面与座孔之间涂以少量机油，确保轴瓦贴合良好；轴瓦油孔应与连杆油道对齐，保证润滑油供应畅通。
（3）活塞连杆组的组装。活塞与连杆组装时应注意活塞方向与连杆大端方向标记，确保活塞在上止点时气门与活塞不相碰；活塞环开口位置应按120°（三环）或90°（四环）错开，避开活塞销方向。
（4）连杆小端衬套的压装。连杆小端衬套压装时应使用专用工具，压装后应铰削或刮配至标准配合间隙，确保活塞销能在衬套内自由转动且无明显旷量。
2. 运行中的维护检查
（1）异响监听。运行中应定期监听曲轴箱部位有无异常敲击声，连杆轴承间隙过大时会产生沉闷的敲击声，随转速升高而加剧。
（2）机油压力监测。连杆轴承间隙过大会导致机油泄漏量增加，机油压力下降，应定期观察机油压力表读数，发现异常及时排查。
（3）曲轴箱窜气量检查。活塞环与缸套磨损、连杆变形导致活塞偏缸时，曲轴箱窜气量会增大，应定期检查呼吸器排气情况。
（4）温度监测。连杆轴承间隙过小或润滑不良时，轴承温度会异常升高，应通过机油温度或红外测温仪监测相关部位温度。
3. 大修时的检查要点
（1）连杆变形检验。大修时应使用连杆检验仪对连杆进行弯曲、扭曲与双重弯曲检验，超差时按规定校正或更换。
（2）连杆轴瓦间隙测量。用内径千分表测量连杆大头孔内径，用外径千分尺测量连杆轴颈外径，计算配合间隙，超差时更换轴瓦或修磨轴颈。
（3）连杆小端衬套间隙测量。测量活塞销与连杆小端衬套的配合间隙，超差时更换衬套并铰配至标准间隙。
（4）连杆螺栓检查。连杆螺栓属一次性使用件或有限次使用件，大修时应按说明书要求更换；若继续使用，应检测螺栓长度与螺纹状态，发现伸长或损伤应更换。
（5）连杆重量分组。多缸机更换连杆时，应注意各缸连杆重量分组一致，避免因重量差异导致曲轴运转不平衡。
总结
连杆的弯曲、扭曲和双重弯曲变形会使活塞在气缸中歪斜，造成活塞与气缸、连杆轴承与连杆轴颈偏磨并发出响声，进而导致柴油发电机动力下降且温度升高。总之，在处理连杆变形时，应先进行全面检查，然后选择合适的修复方式。在处理过程中应严格按照标准操作流程，确保处理结果符合安全标准和技术要求。
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