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技术维修与康明斯知识 |
柴油发电机曲轴的磨损规律、损伤检测和弯曲校正方法 |
摘要：曲轴在使用中承受着很大的气体的爆发压力、惯性力的冲击和离心力的作用，除了有磨损特点之外，还会出现不正常损伤、轴颈表面产生划痕拉伤、烧伤、裂纹，以及曲轴发生变形、断裂等故障或事故。本文对这些曲轴损伤规律进行了总结，并提出了曲轴损伤后的检测方法和校正，以及颈的磨损、圆度及圆柱度超差的修理和磨削方法。
一、曲轴损伤的规律
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。以康明斯曲轴为例，实物如图1所示，易损伤部位如图2所示。
1、曲轴的磨损规律
（1）主轴颈和连杆轴颈径向磨损呈椭圆形，且最大磨损部位相互对应，即各主轴颈的最大磨损靠近连杆轴颈一侧；而连杆轴颈的最大磨损也是靠近主轴颈一侧。
（2）实践表明，连杆轴颈的磨损比主轴颈的磨损严重。这是由于连杆轴颈负荷较大，润滑条件又差的缘故。
（3）连杆轴颈的内侧磨损最大，造成椭圆形。
2、轴的裂纹和折断的规律
柴油发电机曲轴的裂纹多数发生在曲柄臂与轴颈之间的过渡圆角处，以及油孔处。前者多为横向裂纹，严重时将造成柴油发电机曲轴断裂，应重点检查。后者多为轴向裂纹，沿斜置油孔的锐边向轴向发展。其主要原因：
（1）柴油发电机曲轴横向、轴向裂纹主要是应力集中引起的。
（2）轴颈上油孔处的裂纹，主要是因为油道斜置，使油孔处的应力呈不对称分布所致。
3、曲轴弯曲变形的影响因素
曲轴作为柴油机的重要零部件，其弯曲变形会对柴油发电机的正常运行产生一系列不利的影响。曲轴弯曲变形的影响因素主要包括以下几个方面：
（1）材料及工艺：曲轴的材料和加工工艺直接影响其弯曲变形的抵抗能力。优质材料和精密加工工艺可以减少曲轴的弯曲变形，提高其使用寿命。
（2）外部载荷：柴油机在工作过程中会受到各种外部载荷的作用，如爆震、振动等，这些外部载荷会增加曲轴的受力情况，导致曲轴的弯曲变形。
（3） 曲轴设计：曲轴的设计结构也会直接影响其弯曲变形的程度。合理的曲轴设计可以减少其受力不均匀的情况，降低弯曲变形的风险。
（4）使用环境：柴油发电机工作的环境因素，如温度、湿度和腐蚀等，也会影响曲轴的弯曲变形。恶劣的使用环境会加速曲轴的老化和变形。
（5）维护保养：良好的维护保养可以延长曲轴的使用寿命，减少其弯曲变形的发生。及时清洁和润滑是保持曲轴良好状态的重要因素。
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图1 全新曲轴实图 |
图2 曲轴易损伤部位示意图 |
二、曲轴损伤的检查
柴油发电机曲轴的检测主要包括裂纹检测、变形和磨损的检测。曲轴损伤测量方法广泛应用于各种类型的柴油机维护保养和故障排除工作中。在定期检查和保养中，可以借助曲轴损伤测量方法判断是否需要进行曲轴的维修或更换；在故障排除过程中，通过测量曲轴的损伤情况判断是否是曲轴引起的故障，进而采取相应的修复措施。
1、曲轴磨损检查
曲轴磨损测量的意义在于帮助及时了解曲轴的磨损情况，为维修、更换或调整提供依据，保证发动机的正常运行。通过测量得到的磨损数值可以帮助我们评估曲轴的寿命和性能，并制定合理的维修计划。
（1）手指触摸检查法
检查曲轴磨损最简单的方法之一是使用手指进行触摸。将手指放在曲轴的表面上，并沿着曲轴的长度从一个端点滑到另一个端点，观察曲轴表面是否平滑。如果曲轴表面感觉不平滑或有凹痕，则说明曲轴可能已经磨损。这种方法可以用来快速识别曲轴表面是否需要进行更进一步的检查。
（2）手电筒检查法
此方法是将手电筒照向曲轴的计划表面，并观察表面的凹痕和划痕等。如果可以观察到明显的凹痕和划痕，说明曲轴表面已经磨损。
（3）使用量仪检查法
此方法需要使用量仪贴附在曲轴的表面上，如图3所示。该仪器将测量曲轴上任意位置的高度变化。如果在测量中观察到曲轴表面的凹陷或其他形状不当的迹象，则说明曲轴已经磨损。
2、曲轴裂纹的检验（磁力探伤法）
（1）磁力探伤的原理：
磁力探伤的原理是使磁力线通过被检零件，如果零件表面有裂纹，在裂纹部位的磁力线将偏散而形成磁极。当在零件表面撒上磁性铁粉，铁粉被磁化并吸附在裂纹处，从而显现出裂纹的部位和形状大小。利用磁力探伤时，必须使磁力线垂直通过裂纹，否则裂纹不易被发现。因为裂纹平行于磁场时，磁力线偏散很小，所以在探伤时，要估计裂纹可能产生的位置和方向，而采用相应的磁化方法。即横向裂纹要对零件纵向磁化，纵向裂纹要对零件横向磁化（亦称环形磁化）。
（2）磁力探伤的步骤：
① 探伤前表面处理。清除零件表面油污、锈斑和腐蚀物质等，用20~40℃清水清洗后烘干。
② 根据被检验零件的形状选择探头。马蹄形探头适用于检测异形表面。如销孔四周的表面、锻造面及铸钢件表面的裂纹。环形探头用于检测半轴、转向节、横拉杆等轴类零件的纵向裂纹。
③ 探伤仪使用前的准备。首先接好电源线和探头线，开启“电源开关”，根据被检测零件尺寸的大小，将“磁场控制”开关置于“强、中、弱”的所需要位置。然后打开探头的电源开关，探头通电产生磁场，此时应立即探伤。
④ 马蹄形探头的操作。探头电源开启后，手持探头的一臂，使探头吸附干磁粉，再把探头放到零件表面上，并在零件表面上徐徐移动探头。此时，零件如有缺陷，就会在缺陷处（各种裂纹、砂眼等）产生漏磁场，磁粉就会聚集在缺陷处，显示出缺陷的位置和形状。为使探头移动灵活不被吸附，在连续移动探头时，可将探头的一个臂抬起10~20mm，如向右移动抬起左侧触臂，向左移动则抬起右侧触臂。
3、弯曲检查
如图4所示，检验弯曲应以两端主轴颈的公共轴线为基准，检查中间主轴颈的径向圆跳动误差。将第一缸和最后一缸连杆轴颈转到水平位置，用高度尺分别测量第一缸连杆轴颈和最后一缸连杆轴颈至平板的距离。
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图3 曲轴磨损及轴向间隙检测图 |
图4 曲轴精度与变形检测装置 |
三、曲轴的校正方法
需要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；曲轴的弯曲率不宜超过1.5mm/m。曲轴弯曲变形较大时，应分几次校正至合格，以防一次压弯量过大而造成柴油发电机曲轴折断。
1、敲击校正
对于弯曲量不大于0.30-0.50mm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，如图5所示。主要为了使曲轴臂部变形，从而使曲轴轴线发生位移，达到校正曲轴的目的。
2、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，用百分表测验是否校正，如．未达到允许标准，继续再校，直至符合要求为止。
3、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。
4、磨削校直法
对直线度大于0. 06 mm或小于0. 10 mm的曲轴，通常在曲轴的修磨过程中进行校直。
5、冷却压校正法
① 用放在压床台面上的两个V形架支承起柴油发电机曲轴两端的主轴颈（与轴颈接触处垫以铜皮），如图6所示；
② 转动柴油发电机曲轴，使弯曲凸面朝上，并将压头对准中间主轴颈，在V形压具与主轴颈接触处垫支铜皮；
③ 使百分表的触头垂直地抵在两道被压主轴颈的正下方，转动表盘使表针指向"0"刻度；
④ 用压床的压头向下缓慢增压，压弯量为柴油发电机曲轴弯曲量的10~15倍（球墨铸铁柴油发电机曲轴，此值不大于10倍），并保持压力1.5～2mi n，然后检查校正后的弯曲度，直至校正合格；
⑤ 将柴油发电机曲轴加热到573～773K，保温0.5～1h，进行时效处理，以消除冷压校正时产生的内应力，防止弯曲变形返弹。
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图5 曲轴表面敲击法示图 |
图6 曲轴冷压校正法示图 |
四、曲轴磨损的修理方法
1、轴颈磨损伤痕的修理
如果柴油发电机曲轴各道轴颈的圆度和圆柱度都未超过规定限度，而仅有轻微的擦伤、起槽、毛糙、疤痕和烧蚀等情况，可用与轴颈宽度相同的细纱布长条缠绕在轴颈上，再用麻绳或布条在纱布上绕两三圈，用手往复拉动绳索的两端，进行光磨。或用特别的磨光夹具进行光磨。轴颈的伤痕磨去后，为了降低轴颈表面粗糙度，可将轴颈和磨夹上的磨料清洗干净，涂上一层润滑油，再进行最后的抛光。
2、轴颈圆度及圆柱度超差的修理
柴油发电机曲轴轴颈和连杆轴颈的圆度及圆柱度超过0.025mm或0.040mm时，即需按次一级的修理尺寸进行磨削修整，或进行振动推焊，镀铬后再磨削至规定尺寸。柴油发电机曲轴的磨削一般是在专用的柴油发电机曲轴磨床或用普通车床改制的设备上进行。在一般小型修配单位，有的用细锉刀将轴颈仔细地锉圆，仔细检验，反复进行，再用绳索或磨夹按上述方法进行光磨。运用这种方法修理需要有较熟练的钳工技术，才能保证一定的修理质量。一般修理人员不可效仿。丨
3、轴颈的车磨轴颈的修理尺寸
柴油机有6级，每缩小0.25mm为一级（0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50），轴颈的最大缩小量不得超过2mm，超过时，应用堆焊、镀铬和喷镀等方法修复。
（1）确定修理尺寸上机磨削
修理尺寸是这样确定的：柴油发电机曲轴轴颈修理尺寸一磨损最严重轴颈的最小直径一加工余量×2，一般尺寸加工余量为0·05mmo所得之值对照修理尺寸表，看这个数值同哪一级修理尺寸比较近，就选择哪一级修理尺寸。修理尺寸选择好后，就在磨床上进行磨削。
（2）注意事项
修理时要以磨损最厉害的轴颈为标准，把各个轴颈车磨成一样大小。由于主轴颈和连杆轴颈的磨损程度不一样，所以，它们的修理尺寸不一定是同一级的，而各道主轴颈或连杆轴颈的修理尺寸，在一般情况下应采用同一级的。柴油发电机曲轴的圆根处保留完善，千万不能磨小圆角的弧度，一般圆角的半径为4~6mm。
（3）车磨后的要求
曲轴其失圆度和锥形度应在规定的范围内。一般而言，当D<80mm时，主轴颈和连杆轴颈的失圆度和锥形度允许范围分别为0.015mm和0.02mm；当D>80m，主轴颈和连杆轴颈的失圆度和锥形度允许范围分别为0.02mm和0.03mm。
总结：
上述内容详细探讨了曲轴磨损、变形、裂纹测量方法的选择与实施，无论使用哪种方法，检测曲轴时需要非常小心再小心，以免错误的方法可能导致更严重的后果。选择合适的测量方法对于保证柴油机的正常运行和延长曲轴寿命非常重要。合理使用曲轴损伤测量方法，可以及时了解曲轴的损伤情况，并采取相应的维修措施，降低故障的发生概率，提高柴油机的可靠性和使用寿命。
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