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性能特点和作用说明 |
柴油发电机连杆的结构特点与工艺精度 |
摘要：连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，推动曲轴转动，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆在工作中要承受活塞销传来的气体作用力、活塞连杆组往复运动的惯性力和连杆大头绕曲轴旋转产生的旋转惯性力的作用。上述这些作用力都是交变载荷，而连杆本身又是一个较长的杆件，因此要求连杆要有足够的强度和刚度，质量要尽量小。
一、连杆的分类
12v型柴油发电机左右两侧相对应的两个汽缸的连杆，通常都装在同一个曲柄销上，连杆活塞组总成如图1所示。按照两个连杆连接方式的不同，可分为下列三种形式，如图2所示。
1、并列连杆
相对应的左右两缸的连杆，一前一后地装在同一曲柄销上。由于连杆的结构形式相同，因此可以通用，而且两侧汽缸的活塞连杆组的运动规律相同。其缺点是两侧汽缸的中心线沿曲轴轴向要错开一段距离，因而曲轴的长度增加，使曲轴刚度降低。
2、主副连杆
主副连杆又称关节式连杆，一列汽缸的连杆装在连杆轴颈上，称为主连杆；另一列汽缸的连杆，通过一圆柱销与主连杆的耳销孔相连接，称为副连杆。左右两列对应汽缸的主副连杆及其中心线位于同一平面内。
3、叉片式连杆
左右两列汽缸相对应的两个连杆中，一个连杆的大头做成叉形，另一个连杆的大头插在叉形连杆的开挡内，称为叉片式连杆。
在缸径较大，缸数较多的v型柴油发电机上，多采用主副连杆和叉片式连杆，而一般v型柴油发电机则多采用并列式连杆。
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图1 活塞连杆组模型图 |
图2 连杆分类型式图 |
二、连杆的结构和工作过程
连杆是柴油发电机中的主要传动部件之一，他在柴油机中，把作用活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆在工作中承受着着急剧变化的动载荷。连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。连杆及连杆盖上的大头孔用螺栓和螺母与曲轴装在一起。为了减少磨损和便于维修，连杆的大头孔内装有薄壁金属轴瓦。轴瓦有钢质的底，底的内表面浇有一层耐磨巴氏合金轴瓦金属。在连杆体大头和连杆盖之间有一组垫片，可以用来补偿轴瓦的磨损。连杆小头用活塞销与活塞连接。小头孔内压入青铜衬套，以减少小头孔与活塞的磨损，同时便于在磨损后进行修理和更换。
在柴油发电机工作过程中，连杆受膨胀气体交变压力的作用和惯性力的作用，连杆除应具有足够的强度和刚度外，还应尽量减小连杆自身的质量，以减小惯性力的作用。连杆杆身一般都采用从大头到小头逐步变小的工字型截面形状。为了保证柴油发电机的运转均衡，同一发动机中各连杆的质量不能相差太大，因此，在连杆部件的大，小头两端设置了去不平衡的质量的凸块，以便于在称重后切除不平衡质量，连杆大，小头两端对称分布在连杆中截面的两侧。考虑到装夹、安放、搬运等要求，连杆大小头的厚度相等（基本尺寸相同）。在连杆小头的顶端设有油孔（或油槽），柴油发电机工作时，依靠曲轴的高速转动，把气缸体下部的润滑油飞溅到小头顶端的油孔内，以润滑连杆小头衬套与活塞之间的摆动运动副。
三、连杆的加工工艺和精度
发动机在高速和高负荷状态下工作时，连杆内部所承受的摩擦力和压力巨大，容易产生高温。当机油不足或不及时更换，就导致散热不良，使连杆变形或轴瓦磨损（连杆组故障现象如图3所示）。因此，连杆的加工精度将直接影响柴油机的性能，而工艺的选择又是直接影响精度的主要因素。
1、反映连杆精度的参数
（1）连杆大端中心面和小端中心面相对连杆杆身中心面的对称度；
（2）连杆大、小头孔中心距尺寸精度；
（3）连杆大、小头孔平行度；
（4）连杆大。小头孔尺寸精度、形状精度；
（5）连杆大头螺栓孔与接合面的垂直度。
（6）活塞连杆组的重量规定
柴油发电机的型号不同，要求也不一样，各柴油发电机说明书均有具体规定，例如，康明斯6B系列柴油发电机，新机时，在同一台柴油发电机中各活塞质量差不得大于5g，在同一台柴油发电机中各连杆组（包括连杆体、连杆盖、大小头轴承、连杆螦钉）质量差不得大于30g。一般修理时要求略低一些，例如铸铁活塞直径在150mm左右的，各缸质量差不能超过15g，连杆不能超过30、40g，活塞连杆组不超过60~80g，汽缸直径在100mm左右的铝活塞各缸质量差不超过10g，连杆不能超过25~30g，活塞连杆组不能超过40~50g。
2、裂解工艺
连杆是发动机上的关键零件，在高频率疲劳载荷下作，对强度有较高的要求。连杆属于较难锻造与加工的一种零件，对其制造方法及技术，国内外都给予了极大的关注，连杆裂解（也称连杆胀断、撑断）加工新工艺是20世纪90年代初发展起来的一种连杆加工新技术，该种新工艺与装备从根本上改变了传统的连杆加工方法，是对传统连杆加工的一次重大变革。连杆裂解技术的原理是根据材料断裂理论，首先将整体锻造的连杆毛坯大头孔人为加工，形成初始断裂源，然后用特定方法控制裂痕扩展，达到连杆本体与连杆盖分离的目的。其裂解加工过程见图3。
3、切削加工
连杆的制造过程中，需要进行多道切削加工，包括车削、铣削、钻孔、磨削等。这些加工工艺需要高精度的机床和刀具，以确保加工精度和表面质量。在切削加工中，需要注意刀具的选择、切削参数的调整、冷却液的使用等因素。
4、热处理
连杆的热处理是制造过程中非常重要的一步，它能够改善材料的机械性能和耐磨性。常用的热处理方法包括淬火、回火、正火、等温淬火等。在热处理过程中，需要控制温度、时间和冷却速度等因素，以确保材料的性能达到要求。
5、精密加工
连杆的精密加工是制造过程中的最后一步，它包括磨削、抛光、平衡等工艺。这些工艺需要高精度的设备和技术，以确保连杆的尺寸精度和表面质量。在精密加工中，需要注意加工工艺的顺序、加工参数的调整、设备的维护等因素。
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图3 连杆常见磨损和损坏部位 |
图4 连杆裂解加工过程 |
四、连杆活塞组的装配和检测
柴油发电机的活塞与活塞销、活塞销与连杆衬套、连杆等分别修配好后，还要进行装配与检验。有分开式连杆盖的连杆，大头的孔是在连杆轴承盖、杆身和连杆螺栓装配好了才进行加工的。在盖和身分开面的一外侧刻有同一个号码，例如6，两个“6”字应装在同一侧，如果装错了，孔可能变成锥形，或者盖和杆身的分开面会错开。一般情况下，连杆上刻有号码的一边朝向凸轮轴，修刮连杆轴瓦和装配时不要弄错。与此同时，某些凸轮轴机构是依靠通过连杆大端的喷油孔喷出的润滑油来润滑的，所以油孔应朝向凸轮轴方向。
1、活塞的标记
将活塞上所标记的装配方向认定并准确识别，如图5所示。
（1）有膨胀槽的活塞，应朝向连杆喷油孔的相对面。
（2）活塞顶上的箭头：指向排气管。
（3）活塞顶上的凹槽：按相关位置装配。
（4）活塞平顶无记号：任意装配（但不能装错缸）。
2、活塞、活塞销及连杆小头的装配
将铝制活塞（全浮式）活塞，放入水中加热到75~85℃，取出活塞后迅速擦净销孔，将活塞销推入孔的一端，立即在衬套内涂以少许机油，把连杆伸入活塞内与活塞销对正（注意方向：一般大头上有油匙的一边应朝向工作时的转动方向）。继续用手的腕力将活塞销推入另一销孔（或用木锤敲进）。尤其用木锤往里敲时，活塞销一定要装正，否则对销孔内表面有损伤。装好后继续放入水中加温，当温度达到90℃左右时，再从水中取出，当活塞销处于垂直地面位置时，活塞销在孔中应不能自动下移，如果下移就证明配合松；另外应摇动连杆，看活塞销是否在孔中转动，如能转动，证明配合正常。如活塞销在孔中不转动，则证明配合过紧，此时应把销子打出来，适当修刮。
3、活塞销与连杆衬套装配检验
在常温下，检查活塞销与衬套的配合情况时，可以手扶住活塞，另一手持连杆大头部分摆动，如果活塞销和衬套配合正常，摆动时应有一定的阻力；或用手握住活塞，使连杆大头部分稍向上，虚线位置，若衬套与活塞销配合正常，则连杆能借本身的重量徐徐下降。若配合松时，则下降很快；若配合紧了，则连杆不下降。若配合稍松，可用合适的工具在衬套两边轻轻敲击数下，这样可以使衬套内径稍变小，若紧得不多，则不必用刮刀修刮，可将活塞销装进衬套，然后将活塞销夹在虎钳上，来回搬动连杆，使衬套内表面磨得光滑些即可。
4、活塞销卡环的装配
活塞连杆装好后，在如图6所示。活塞销两端装入卡环一定要把卡环装在槽内，并使开口朝向活塞的上边（活塞顶端方向），这是因为活塞销端部受热膨胀的系数大，卡环长期受高温而失去弹力，开口朝上时，卡环端部回缩，不易跑出槽外，同时，开口朝上，还可以保存润卡环有两种（钢丝和钢片）。如卡环为钢片时，其卡环槽深度为0.6~0.7mm；卡环为钢丝时，槽的深度为钢丝直径的1/2、2/3，卡环装入槽内与槽的四周应接触严密。卡环与活塞销两端的间隙均应不小于0.10mm。保留此间隙的目的在于使活塞销受热后有膨胀的余地。若没有此间隙，活塞销膨胀会使活塞的变形加大，甚至顶出卡环，易造成“拉缸”事故。间隙过小或没有时，可将活塞销磨短少许即可。
5、检查活塞连杆组的弯扭
在连杆校验器上检查整套活塞连杆组是否有弯扭现象（检查时不装活塞环），检查方法：按要求将活塞连杆组装在连杆校验器上，使活塞的底部与槽块的顶部接触，通过左右间隙的测量来确定活塞连杆组的扭曲，不得超过0.10mm；通过测量活塞裙部上下与平块之间的间隙来确定活塞连杆组的弯曲，不得超过0.10mm，若超过规定就要重新对轴承、活塞销孔、连杆衬套、连杆的弯曲与扭曲进行校验。
6、连杆螺栓的安装
● 用专用工具上紧，并在柴油机说明书中明确规定了紧固时的预紧度（一般用螺栓的伸长量、液压拉伸器的油压、扭力扳手的扭矩或螺帽的旋转角度来衡量，这些方法也用于其它重要螺栓预紧力的控制）。
● 预紧度过大会引起轴承变形、螺栓受力过大甚至损伤，过小则会发生轴承松动。
● 第一次上紧连杆螺栓或更换轴承备件时，由于各承压部分会产生永久变形，使一部分预紧力丧失。在这种情况下，要在正式上紧之前把螺栓先紧一下，以便把各承压部分压实，然后再放松，最后按规定正式上紧。
● 正确固紧是避免连杆螺栓疲劳断裂这类事故发生的最重要措施之一。
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图5 柴油机活塞安装标记 |
图6 活塞连杆组装配完成后总成图 |
总结：
连杆的制造过程中，需要进行多道检测和质量控制，以确保产品的质量和性能。常用的检测方法包括超声波探伤、磁粉探伤、硬度测试、尺寸测量等。在质量控制中，需要制定严格的工艺规范和质量标准，对每道工序进行检查和记录，以确保产品的一致性和稳定性。连杆的制造工艺过程是一个复杂而严谨的过程，需要高精度的设备和技术，以确保产品的质量和性能。在制造过程中，需要注意材料的选择、切削加工、热处理、精密加工、检测和质量控制等因素，以确保产品的一致性和稳定性。只有这样，才能生产出高质量的连杆产品，为柴油发电机组行业的发展做出贡献。
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