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柴油机曲轴臂距差影响因素和测量方法 |
摘要：曲轴承受着各种交变载荷的作用，其造价占柴油机总价的10%-30%，是柴油机中最重要的零件之一。曲轴的技术状态直接影响柴油机的可靠性、使用寿命和经济性。实践与理论表明，对于各种曲轴，弯曲疲劳是曲轴断裂的主要因素。曲轴臂距差（或叫拐档差）的测量就是为了知道主轴承的磨损和曲轴的弯曲程度，同时臂距差测量与分析也是维修人员理论及柴油机拆装考核的重要内容。康明斯公司在本文中归纳了影响曲轴臂距差测量的各种因素以及测量分析与调整时需要注意的要点。因此，在日常管理中，对曲轴臂距差的测量应给予特别注意，并应极力使曲轴臂距差符合规范要求，以保证曲轴经常处于良好的运动状态。
一、曲轴臂距差的影响因素
曲轴臂距差要按照说明书规定或船级社要求的各种检验规定进行测量。影响曲轴臂距差变化的主要因素如下：
1、柴油机机座对臂距差的影响
在柴油机与尾轴调配对线安装时，垫块是重要部件，起到固定柴油机机座和调节机座位置的作用。一般柴油机机座的垫块由金属材料制成，形状多样,加工时需留0.1～0.2mm的研磨余量，且垫块与机座的间隙不可插入规格为0.05mm的塞尺。由于金属材料具有良好的延展性、导热性，易热胀冷缩,因此金属垫块长期处在高温、高频振动的环境中易引起柴油机机座发生形变，从而导致曲轴臂距发生变化。
2、主轴承不均匀磨损对臂距差的影响
柴油机在运行过程中，因为每缸工况存在差异，所以曲轴的每个轴承所承受的应力不一致，磨损也不尽相同。如果曲轴润滑油中含有固态杂质且在各主轴承上分布不均，也会造成相应主轴承磨损加剧。主轴承磨损不均，就会引起曲轴各主轴颈的不均匀下沉，从而造成曲轴轴线弯曲，曲轴臂距差发生变化。
3、飞轮对臂距差的影响与对策
柴油机曲轴上都装有飞轮，飞轮通常为铸铁、铸钢或锻钢制成的轮缘形结构，其大部分质量集中在轮缘处。由于飞轮质量较大，靠近飞轮端的曲轴会发生下垂,对曲轴臂距差产生较大影响。
4、缸内气体压力对臂距差的影响
柴油机在运行过程中，气缸内的油气混合物在高温高压的环境中发生燃烧，且气体体积迅速膨胀，高压气体通过活塞、连杆等连接件将推力传递给曲轴。在这个高频且巨大的推力作用下,曲轴会产生中线向下弯曲的现象。
二、曲轴臂距差测量
1、测量点的确定
曲轴臂结构如图1所示。曲轴臂距值测量点一般均设在距曲柄销中心线（S+D）/2处，S为活塞行程，D为主轴直径。
A点作为固定的测量点。有的大型柴油机为了便于测量或避开轴孔套合处，将测量点设在曲柄臂下边缘B点。B点的△g换成A点的△A值后方可使用标准。可按下式换算：
ΔA=ΔΒ•（OA/OB）mm
式中：OA为测量点A至曲柄销中心线的距离，mm；OB为测量点B至曲柄销中心线的距离，mm。
2、测量步骤
（1）测量工具如图2所示。检查臂距表的好坏及灵敏度。用手指按动表端顶尖部位数次，看大指针能否回到原位，能回到原位的，臂距表一般来说是好的；大指针回来的速度越快，说明表的灵敏度越好。
（2）从曲臂宽度中心线上寻找，并仔细清洁两曲臂上的冲孔。
（3）根据臂距选择测量杆的长度，在曲柄销下止点后150装表，需要说明的是下止点后150°位置装表部位不需要精确的角度，以装表后，正车盘车时不碰连杆螺母为原则，随着装表点的变化，与其对应的165°测量点也要对应变化。a、e两个测量点越接近下止点，其L下=（La+Le）/2值越精确。调节测量杆的长度，使之比臂距大1-2 mm（可以看小指针在1或2处）。然后拧好锁紧螺母。
（4）装上配重块，用手将表来回摆动几次，看大指针有无摆动，若不动，说明安装妥当，可以进入下个步骤。若动了，一般来说有可能是下面几种情况引起：
① 有可能臂距表是坏的；
② 冲孔有垃圾或不正；
③ 测量杆上螺母没拧紧；
④ 测量杆不直。在排除以上故障，确认安装良好后，转动表盘，使大指针到“0”位。
（5）正车依次盘车到以下测量点：当曲轴未装活塞连杆时，测量0°、90°、180°、270四个位置的臂距值，可自其中任一位置装表完成测量；当曲轴已安装活塞连杆时，测量0°、90°、165°、195°、270°五个位置的臂距值，自195°位置装表完成测量。
（6）臂距值正负的确定。与臂距表顶尖向内压大指针偏转方向一致的读作“-”，与此偏转方向相反的读作“+”。
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图1 柴油机曲轴臂结构示意图 |
图2 柴油机曲轴测量仪示意图 |
3、测量记录方法
当以曲柄销位置为准记录读数时，称为销位法；当以臂距表所在位置为准记录读数时，称为表位法。推荐销位法记录如图1所示。
4、臂距差计算
臂距值，用L表示，俗称拐档值。臂距差，俗称拐档差，用符号△表示：
Δ⊥=L上-L下
△_=L左-L右
装活塞连杆组时，参照图2所示，L下=（La+Le）/2，其中Δ⊥、△_分别为垂直平面、水平平面内的臂距差。
5、臂距差标准
CB/T3544-94规定；柴油发电机整体式和组合式曲轴臂距差应符合图2的要求。图中横坐标表示垂直臂距差Δ⊥，纵坐标表示冲程S。
图中Ⅰ线在左上方为在车床或平台上测量的最佳值；在Ⅰ、Ⅱ线之间为曲轴安装中的优良值；在Ⅱ、Ⅲ线之间为柴油机运转中的合格值；Ⅲ线为柴油机运转中的最大允许值。而对活塞行程小于200 mm的小型柴油机，因曲轴刚性较好则不必检验其臂距差。
6、绘制曲轴轴线状态图
根据各缸的Δ⊥值绘制曲轴轴线状态图，具体见实例分析调整。
7、臂距差的分析调整
曲拐运转时变形一般出现两种情况。为了便于分析曲轴的变形，简化问题，对运转中的曲轴进行以下假定：
（1）曲轴设计时，主轴颈直径≥曲柄销直径，因此可以假设主轴颈与曲柄臂之间为刚性连接，夹角为90°并保持不变。
（2）由于曲轴结构的对称性，因此可以假设曲轴转动时曲柄销与两曲轴臂之间夹角相等。归纳如表1所示。
另外在水平平面内，当曲柄的臂距差值△为正值时，说明曲柄的两个主轴承位置偏右；当曲柄的臂距差值△为负值时，说明曲柄的两个主轴承位置偏左。
测出各曲柄的臂距差后，虽然可以根据正负值来判断曲轴轴线的挠曲程度，但是并不能说明引起曲轴轴线挠曲的真正原因是各道主轴承磨损不均匀，还是由于船体的变形所致。因此，还需要桥规测出各道主轴承的下沉量。若臂距值与所测的下沉量相互吻合，则说明曲轴轴线挠曲变形时由于主轴承磨损引起；若两者互相矛盾，则说明机座已经变形。因为当机座变形时，各轴颈的桥规值时不变的，而臂距差变化很大。当机座中部下榻时，整个轴线也随着塌下，而曲轴的下沉量并不变化。所以，在测量臂距差前，应先检查机身、机座等各接合处有无松动。
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图3 柴油机曲轴臂距差测量记录方法 |
图4 柴油机曲轴臂距差标准坐标图 |
三、实例分析调整
测得康明斯某型柴油机曲轴臂距值如图5所示。曲轴臂距差计算汇总如表2所示：
表1 臂距差计算结果（1/100 mm）
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缸号
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1
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2
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3
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4
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5
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6
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垂直臂距差
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-7
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+5
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+21
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+38
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+27
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+12
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水平臂距差
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+6
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-2
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-4
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+5
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-2
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+7
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作曲轴轴线状态图，如图6所示。主机活塞行程S=1600 mm，根据图4标准可知该主机运行时垂直臂距差Δ⊥应该在0.16 mm~0.32 mm之间，取算术平均值为0.24 mm。因此该机第四缸曲轴臂距差超过标准，需要调整。
按照由简单到复杂的检修原则，对引起曲轴臂距差因素逐一排查，最后确定引起轴臂距差过大的主要原因是柴油机长期振动使地铁过度磨损。检修方案实施如下：
（1）拆卸第V道主轴承位置及与它相邻的第IV道主轴承位置和第VI道主轴承位置的所有地脚螺栓。
（2）由图6可见，其中第V道主轴承最低。取出第V道主轴承位置左右的地铁，测量它的原始厚度并记录下来。用经验估算法来计算地铁的增厚量。经验估算法（适用于缸径为600-800 mm的低速柴油机）。主轴承刮低或抬高量γ=（1.3-1.6）△a，其中△a为相邻两个曲柄臂距差变化的数值（mm）。取△a=0.38-0.24=0.14（mm），因此第V道主轴承位置地铁的增厚量γ=（1.3~1.6）△a，=0.18~0.22（mm）。
（3）在第V道主轴承位置地铁原始厚度基础上增加0.2 mm制作地铁，现场配制使其接触面达到每平方厘米3点以上的技术要求，然后地铁现场钻孔。
（4）拧紧第V道主轴承位置地脚螺栓。拆卸与其邻近的松动地铁，现场测量地铁位置的高度并记录，在此基础上增加0.03 mm-0.05mm厚度制作地铁，然后现场配置，使其符合技术要求。
（5）拧紧所有的地脚螺栓后，测得曲轴臂距差如表3所示：
表2 调整后曲轴臂距差（1/100 mm）
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缸号
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1
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2
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3
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4
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5
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6
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垂直臂距差
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-2
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+12
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+22
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+25
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+17
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+19
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由此可见，曲轴臂距差得到改善，符合该机运行规范要求。调整结束后，要对曲轴轴心线和气缸中心线不垂直相交度和导板工作面的不平行度进行必要的检验和修整，与曲轴所附带的齿轮、链条、轴系等进行检查和调节。
如果用改变轴承厚度的方法来调节曲轴臂距差时，当各道轴承高低相差不大，可以最低轴承为基准修刮偏高轴承；若各道轴承高低偏差较大时，一般应按修刮偏高轴承和更新偏低轴承的办法来调整轴线状态。但对于任何一道轴承的修刮或换新，不仅对相邻两缸的拐档差有影响，而且对其他各缸的拐档差也会产生一定的影响。所以在确定修刮量或更新轴承时，需要综合考虑这些因素。
无论是对需要修刮的轴承或是换新的轴承，均需要将轴承取出后测量其厚度，以便更好地确定轴承的修刮量。在进行每次修刮时，其修刮量不应太大，刮低轴瓦时应比计算值刮得小点（抬高则相反）。轴承经初步修刮或换新后，还需要再重新测取各拐档差值，绘取轴线状态图，检查轴线状态的变化，进一步确定轴承的修刮量。这需要经过几次反复直至拐档差值达到许用范围，轴线状态恢复正常为止。
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图3 柴油机曲轴臂距值记录销位法 |
图4 柴油机曲轴轴线状态作图 |
四、总结
（1）曲轴臂距差值的大小比较只有在相同的条件下（如冷态和热态、气温高低、装载情况、海里和坞内等）才有意义。
（2）主轴瓦和曲轴的磨损是需要一段时间的，在柴油机油压、油温都正常的情况下，曲轴臂距差突然变大，首先要考虑外在因素影响的可能性。
（3）可以用公式（L上+L下）-（L左+L右）<±0.03mm，来估计曲轴臂距值测量的准确性，如果几次测量都超标说明曲轴存在严重变形。
（4）调整时不要盲目追求某一缸曲轴臂距差值最小，要整体考虑使每各缸曲轴臂距差值符合规范要求。
（5）刮低或抬高某道主轴承时，要考虑引起其它相邻两缸臂距差的变化。
（6）调整臂距差过程中，不但要保证臂距差达到要求，同时要保证主轴颈与主轴瓦接触良好。
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