技術(shù)維修與康明斯知識(shí)

柴油發(fā)電機(jī)曲軸彎扭校正及量表的使用要求

 

摘要：曲軸作為柴油機(jī)核心零件之一，柴油機(jī)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(dòng)，達(dá)到配氣定時(shí)、供油定時(shí)及驅(qū)動(dòng)其它輔助裝置，所以說曲軸如果出現(xiàn)了故障，不能按要求完成工作，柴油機(jī)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(zhuǎn)。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(xù)使用，將加速曲軸連桿機(jī)構(gòu)的磨損，甚至使曲軸產(chǎn)生裂紋和斷裂。因此，在柴油機(jī)修理中，必須對(duì)曲軸的彎曲變形現(xiàn)象進(jìn)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(shù)原因是個(gè)別活塞卡缸造成的，如個(gè)別缸塞間隙過小，或活塞受熱后膨脹過大，使活塞運(yùn)動(dòng)阻力過大，甚至卡缸，將導(dǎo)致曲軸的扭曲。在拖拉機(jī)掛車時(shí)，起步過猛和緊急制動(dòng)未踏下離合器等原因，都會(huì)引起曲軸的扭曲變形。預(yù)防曲軸變形就要從曲軸產(chǎn)生變形的原因入手，主要應(yīng)從提高使用操作水平，避免過大的沖擊載荷，及時(shí)保養(yǎng)維修，以保證柴油機(jī)始終在良好工況下工作，從提高修理和裝配質(zhì)量等方面著手。

1、曲軸的工作條件

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

（1）承受燃燒氣體的壓力、活塞連桿組往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力；

（2）燃燒氣體的壓力、活塞連桿組往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力產(chǎn)生的力矩；

（3）油膜脈動(dòng)的擠壓應(yīng)力；

（4）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度高；

（5）巳潤(rùn)滑條件較好，但受到較多雜質(zhì)的沖刷作用。

 

圖1  柴油機(jī)曲軸工作狀態(tài)示意圖

圖2  柴油機(jī)曲軸數(shù)學(xué)模型示意圖

 

2、曲軸變形特征

      曲軸自重下沉導(dǎo)致曲軸發(fā)生彈性變形，則在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中，各曲柄頸開擋會(huì)出現(xiàn)周期性的收張變形，開擋的變形會(huì)促使主軸頸出現(xiàn)彈性竄動(dòng)現(xiàn)象，這種變化是有規(guī)律的。

（1）伸張變形

      當(dāng)曲柄頸旋至位置高于主軸頸縱向中心位置時(shí)，曲柄頸開擋會(huì)發(fā)生伸張變形，曲柄頸開擋的伸張變形會(huì)導(dǎo)致其相鄰主軸頸向曲柄頸方向出現(xiàn)彈性竄動(dòng)。伸張變形示意圖如圖3所示。

（2）收縮變形

      當(dāng)曲柄頸旋至位置低于主軸頸縱向中心位置時(shí)，曲柄頸開擋會(huì)出現(xiàn)收縮變形，曲柄頸開擋的收縮變形會(huì)導(dǎo)致其相鄰主軸頸向曲柄頸對(duì)面方向出現(xiàn)彈性竄動(dòng)。收縮變形示意圖如圖4所示。

      據(jù)康明斯公司的售后部檢測(cè)記錄統(tǒng)計(jì)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(shù)且絕對(duì)值是相等的。故可判定曲柄頸開擋的伸張和收縮變形對(duì)其相鄰主軸頸彈性竄動(dòng)影響值的絕對(duì)值也是相等的。

3、曲軸故障原因

① 柴油發(fā)電機(jī)工作不平穩(wěn)，各軸頸受力不均衡；

② 柴油發(fā)電機(jī)突然超負(fù)荷工作，使曲軸過分受振；

③ 柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)常發(fā)生“突爆”燃燒；

④ 曲軸軸承和連桿軸承間隙過大，工作時(shí)受到?jīng)_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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)前后移動(dòng)。

      當(dāng)曲軸彎、扭超過一定值后，將加速曲軸和軸承的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使曲軸出現(xiàn)裂紋甚至折斷，同時(shí)還會(huì)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(yàn)前的準(zhǔn)備

（1）熟悉、掌握相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、工具。熟悉、掌握各類機(jī)械零件檢驗(yàn)所涉及的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和所用的檢驗(yàn)工具，是檢驗(yàn)人員的基本功，也是對(duì)檢驗(yàn)人員的基本要求。

（2）分析零件圖。零件圖是機(jī)械零件加工和檢驗(yàn)的主要依據(jù)，檢驗(yàn)人員要通過對(duì)機(jī)械零件圖的分析，了解所要檢驗(yàn)零件的名稱、所用材料、規(guī)格、形體結(jié)構(gòu)和大小，分清零件尺寸中的定形尺寸、定位尺寸、關(guān)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(jī)中的作用。

（3）分析工藝文件。工藝文件是機(jī)械零件加工、檢驗(yàn)的指導(dǎo)書，檢驗(yàn)人員要按照零件的加工順序?qū)α慵總€(gè)工序加工的部位、尺寸、工序余量、工藝尺寸換算進(jìn)行分析，同時(shí)應(yīng)了解關(guān)鍵工序的裝夾方法、定位基準(zhǔn)和所使用的設(shè)備、夾具、刀具等技術(shù)要求。

（4）合理選用量具。分析好圖紙和工藝文件后，根據(jù)待檢工件的幾何形狀、尺寸大小、生產(chǎn)批量等選用合適的檢測(cè)工具。如測(cè)量帶公差的內(nèi)孔尺寸時(shí)應(yīng)選用卡尺、鋼板尺、內(nèi)徑百分表或內(nèi)徑千分尺等，測(cè)量帶公差裝軸承的軸時(shí)應(yīng)選用卡尺、千分尺、鋼板尺等。有些被檢零件用目前現(xiàn)有的檢驗(yàn)工具不能直接檢驗(yàn)，這時(shí)檢驗(yàn)人員要根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，對(duì)現(xiàn)有的檢驗(yàn)工具進(jìn)行改造，或選用精密度更高的自動(dòng)化檢測(cè)工具的制作。

2、檢測(cè)工具的技術(shù)要求

      曲軸量表的定義是是將活動(dòng)測(cè)量頭的直線位移，通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樤诒砜潭缺P上的角位移，由指針在表刻度盤上指示出讀數(shù)的測(cè)量工具，結(jié)構(gòu)示例如圖5所示。其可示值總誤差為在活動(dòng)測(cè)量頭工作行程范圍內(nèi)，由正行程方向測(cè)得的示值誤差曲線上，高點(diǎn)與低點(diǎn)的差值。技術(shù)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(tài)下，活動(dòng)測(cè)量頭的移動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)、靈活、無卡滯現(xiàn)象。

（3）曲軸量表活動(dòng)測(cè)量頭處于自由狀態(tài)時(shí)，指針應(yīng)位于從零位開始反時(shí)針方向30°~90°之間。

（4）具有轉(zhuǎn)數(shù)指示盤的曲軸量表當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)指針指示在整轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，長(zhǎng)指針偏離零位應(yīng)不大于15個(gè)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(guī)定如下：

① 表圈外徑≦42mm的曲軸量表應(yīng)為0.1~0.2mm。

② 表圈外徑>42~60mm的曲軸量表應(yīng)為0.15~0.25mm。

（6）曲軸量表指針尖端應(yīng)蓋過表盤上短刻線長(zhǎng)度的30%~80%。

（7）曲軸量表指針尖端與表刻度盤之間的距離應(yīng)不大于0.7mm。

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

（9）曲軸量表的側(cè)力規(guī)定如下：

① 測(cè)量范圍為60~120mm的測(cè)力應(yīng)不小于12N。任意1mm內(nèi)測(cè)力變化應(yīng)不大于1.5N。

② 測(cè)量范圍為120~500mm的測(cè)力應(yīng)不小于20N。任意1mm內(nèi)測(cè)力變化應(yīng)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(tái)上用“V”型鐵將曲軸架起，用百分表測(cè)量檢查，如圖6所示。

（1）曲軸彎曲檢測(cè)

      檢查彎曲時(shí)，將百分表觸針放在中間一道主軸頸上，并使指針對(duì)正表盤零線。然后將曲軸慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則百分表上指針擺動(dòng)的一半即為曲軸的不直度。曲軸的不直度不應(yīng)大于0.05mm。若大于此值時(shí)，但仍在0.1mm之內(nèi)，則不直度可以結(jié)合軸頸光磨加以消除。當(dāng)不直度大于0.1 mm時(shí)，必須進(jìn)行冷壓矯直。

（2）曲軸扭曲檢測(cè)

      檢查曲軸的扭曲時(shí)，同樣需要把曲軸置于“V”型鐵上或安裝在機(jī)床頂尖上。使同位連桿兩軸頸（如6個(gè)氣缸曲軸的I、VI缸連桿軸頸；4個(gè)氣缸曲軸的I、VI缸連桿軸頸）位于上止點(diǎn)，再用高度百分尺測(cè)量同一水平面內(nèi)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(zhuǎn)角越大。如扭轉(zhuǎn)角大于30°,要進(jìn)行校正。當(dāng)曲軸扭曲輕微時(shí)，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(cè)裝置結(jié)構(gòu)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(jìn)行曲軸的矯直處理。曲軸的矯直應(yīng)滿足曲軸的同軸度和允許跳動(dòng)量達(dá)到規(guī)定要求；矯直后曲軸的技術(shù)性能不下降；曲軸的彎曲率不宜超過1.5mm/m的要求。當(dāng)矯正彎曲率大于1.5mm/m的曲軸具有較大風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)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(yīng)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(yīng)分?jǐn)?shù)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(wěn)定，曲軸工作時(shí)易恢復(fù)原來的變形。同時(shí)校正后會(huì)在軸頸表層產(chǎn)生塑性變形和殘余內(nèi)應(yīng)力，造成應(yīng)力集中。

（2）敲擊校正

      對(duì)彎曲度不大的曲軸，可以采用“表面敲擊”法進(jìn)行校正?？筛鶕?jù)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(cè)進(jìn)行敲擊，使曲軸臂部變形，從而使曲軸軸線發(fā)生位移，達(dá)到校正曲軸的目的。曲軸校正前狀態(tài)如圖7所示，校正后狀態(tài)如圖8所示。

（3）就機(jī)校正

      把氣缸體倒放在工作平臺(tái)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(rùn)滑油，然后將曲軸放上，在缸體邊沿裝置百分表。用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，在中間軸頸測(cè)出彎曲的最大位置，用粉筆做上記號(hào)，再將軸承蓋襯墊軟鋁或其他軟質(zhì)物品墊實(shí)，卡住軸頸，慢慢扭緊曲軸軸承蓋螺栓。等大約1h的時(shí)間，把螺栓松開，用百分表測(cè)驗(yàn)是合校正，如未達(dá)到允許標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)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(shù)值的大小，向彎曲的相反方向頂壓，具體頂彎多大，應(yīng)由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(fù)進(jìn)行，直到將曲軸校直為止。上述加熱其目的是加速變形，穩(wěn)定校直效果，減少殘余變形，從而減少了彈性回復(fù)。

（5）磨削校直法

      對(duì)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(jìn)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(tài)）

圖8  表面敲擊法校正曲軸方法（校正后形態(tài)）

 

總結(jié)：

      主軸頸是曲軸的重要部位，是整個(gè)曲軸加工的基準(zhǔn)，主軸頸加工質(zhì)量決定了曲軸的加工質(zhì)量，主軸彎曲狀況準(zhǔn)確檢測(cè)數(shù)據(jù)是指導(dǎo)曲軸機(jī)械加工過程和使用的重要依據(jù)。曲軸加工圖樣只對(duì)主軸頸彎曲狀況有偏差要求，但對(duì)使用何種檢測(cè)方法無標(biāo)準(zhǔn)要求。錯(cuò)位的檢測(cè)方法，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)出的主軸頸彎曲結(jié)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(zhì)量。因此，以上所述的檢測(cè)和校正方法應(yīng)使用精度良好的工具進(jìn)行，避免出現(xiàn)因精度偏差而致使曲軸加工成不符合技術(shù)要求的產(chǎn)品。

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