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技术维修与康明斯知识 |
检查和安装柴油发电机连杆螺栓的方法 |
摘要：检修连杆螺栓时，维修人员会发现连杆螺栓有的存在很多问题，会有外观问题、公差长度问题、断裂问题、牙螺纹问题，安装时所发现的问题等等。很简单的方法，就是对连杆螺栓进行检验，找出问题的所在从而改成它。那对连杆螺栓检验需要方法，连杆螺栓是连接连杆大端轴承座与轴承盖使之成一体的重要连杆螺栓。连杆螺栓受到装配时的预紧力的作用，四冲程柴油发电机运转时连杆螺栓还受到往复惯性力的作用。连杆螺栓的直径较小，因其受到曲柄销直径和连杆大端外廊尺寸的限制。
一、连杆螺栓技术要求
连杆螺栓是连接连杆大端和连杆盖的承载较高的重要连接连杆螺栓，也是柴油机的重要紧固件。为预防连杆螺栓松动、断裂引起捣缸事故，必须正确选用与装配。其外观如图1所示，结构尺寸如图2所示。
1、工作条件
（1）预紧力、往复惯性力的拉伸（四冲程发动机机）；
（2）附加应力：变形引起；
（3）尺寸受限。
2、要求
（1）韧性好、强度高材料；
（2） 优质合金钢材料，低速柴油机中才用优质碳钢材料。
3、结构形式（柔性结构，提高抗疲劳强度）
（1）连杆大端，杆身有两段定位凸肩；
（2）高速柴油机机仅一段或无凸肩。
4、连杆螺栓的选用
（1）连杆螺栓是用优质合金钢经调质处理和精密加工制成，有较高的强度和韧性，在螺纹等级、形位公差等方面要求严格，是一种专用连杆螺栓，不可用普通连杆螺栓代替。
（2）对于使用过的连杆螺栓，安装前应进行认真检查。发现连杆螺栓上有划痕、滑扣、裂口、凹痕、裂纹，或螺母装在连杆螺栓上有松弛现象，或连杆螺栓不能与连杆螺栓孔紧密配合，或连杆螺栓头支承面不能紧贴连杆端盖，或连杆螺栓长度比标准连杆螺栓长度长2%的，都应予以更换。
（3）当柴油机发生飞车或咬缸事故后，由于受额外附加应力的作用，应考虑更换连杆螺栓。当柴油机多次烧瓦或一次严重烧瓦，连杆螺栓材料受高温退火作用时，应予更换。另外，当柴油机工作5000~7000小时后，即使连杆螺栓外表无明显损伤，也应更换新件，以防疲劳断裂。
（4）当某根连杆螺栓有滑扣、裂损或断裂时，不管另一根是否完好，都应成对更换，不得新旧搭配。
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图1 连杆螺栓外观示意图 |
图2 常规连杆螺栓结构尺寸示意图 |
二、连杆螺栓的拧紧力矩和计算
连杆包括连杆杆体、连杆杆体两端的大头孔和小头孔，如图3所示。在大头孔上的预制裂纹，涨断后大头端盖与连杆杆体的连接连杆螺栓，其涨断后大头端盖与连杆杆体的连接连杆螺栓采用四个十二角头连杆螺栓连接，如图4所示。在大头端盖的两侧，每侧两个十二角头连杆螺栓沿轴向并排排列。由大头孔内壁至小头孔内壁连通一个纵向贯穿连杆杆体的油道孔，在小头孔内壁设贯穿轴向的V型润滑槽。在大头孔的预制裂纹处设激光涨断沟槽。在小头孔内设与小头孔匹配的衬套嵌于小头孔内，V型润滑油槽在衬套上，衬套上有油道孔的出口。
柴油机曲柄连杆机构的作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴，以输出功率。连杆在工作时作平面运动，承受活塞销传来的气体作用力以及其本身摆动和活塞组往复运动时的惯性力。这些力的大小和方向都是周期性变化的。柴油机的连杆大头与曲轴连杆轴颈的连接是靠连杆螺栓来实现的，所以连杆螺检所承受的载荷是交变载荷。为了保证连杆大头结合面在工作时不分离，连杆螺栓在装配时应有足够的预紧力（P0）。此力由两个部分组成：一部分为使轴瓦紧贴瓦座所需的预紧力；另一部分为防止连杆和大头盖结合面在工作载荷作用下脱开所需的预紧力。这两部分力对连杆螺栓都造成拉力。
由此可见，在交变拉伸载荷作用下，如作用在连杆螺栓上的最大拉伸载荷大于连杆螺栓的预紧力（P0）,连杆杆身和大头盖接合面就会因不断的分离而相互冲击，造成连杆螺栓的疲劳破坏。同时，该载荷也使轴瓦与轴颈之间的配合时紧时松，产生冲击，造成轴瓦破坏。由以上分析可知，连杆螺栓预紧力不能太小，但也不能太大，否则可能引起连杆螺栓过大的拉伸变形，甚至断裂。为保证联接的可靠性，必须在装配连杆螺栓时对预紧力严加控制，即严格地按照原厂所规定的标准拧紧力矩拧紧；无原厂标准时，可参照表1所示的拧紧力矩拧紧。
表1 连杆螺栓拧紧力矩（N.m）
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连杆螺栓材料
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连杆螺栓直径（mm）
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钢号
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硬度
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6
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8
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10
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12
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14
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16
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18
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20
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35
45
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HB255~285
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6~8
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18~23
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32~42
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55~70
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90~110
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140~170
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200~230
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280~320
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40Cr
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HRC33~39
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10~12
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22~26
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46~54
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75~95
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140~170
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160~220
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230~280
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340~390
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连杆螺栓拧紧力矩（M）的近似计算公式为：
M≈f·P0·d
式中，d——连杆螺栓螺纹的外径mm；F——连杆螺栓与支承座表面间摩擦系数，支承座表面不光滑、无润滑油时f≈0.2,支承座表面光滑、有润滑油时f≈0.1。
由公式可知，摩擦系数f对拧紧力矩有很大的影响，为在一定的拧紧力矩下达到需要的预紧力，在装配工作中拧紧连杆螺栓时必须对有关部位的摩擦状况予以考虑。
摩擦系数f是随条件而变化的，它受螺纹表面及支承座表面粗糙度、表面间有无润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、反复拧紧时的温度等不稳定因素的影响。因此，在装配连杆螺栓时，必须对上述诸项不稳定因素进行严格控制，以求达到需要的预紧力。如装配时不注意上述问题就可能发生连杆螺栓松动，甚至断裂，酿成整机破坏的严重事故。
柴油机经多次维修之后，由于多次拆装，连杆大头盖或螺母锁垫支承面会出现严重的损伤，使得拧紧时的摩擦阻力矩成倍增长；特别是当磨损呈凹凸的曲面时，因正压力增大，摩擦力的增加更为显著。连杆螺栓的螺纹也可能出现损伤和变形，使连杆螺栓拧紧时摩擦力增大。按照规定拧紧力矩所拧紧的连杆螺栓可能得不到所需要的预紧力，连杆杆身与大头盖接合面在正常负载下可能松动。
无论各有关零件的摩擦表面是否已经损伤，在装配时都应涂抹润滑油脂。在拧紧连杆螺栓时，不能用力过猛或突然用力，否则，都会使扭力扳手的读数不准确，容易造成连杆螺栓“过力”现象。
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图3 康明斯柴油机连杆零件图 |
图4 十二角头四连杆螺栓连杆示意图 |
三、连杆螺栓断裂原因、检测方法及安装
检修中不可随意调换连杆螺栓与其原装配孔的关系，因为连杆螺栓与装配孔是过渡配合，需用小锤轻轻敲入连杆螺栓，随意调换将影响配合关系，过紧、过松均影响连杆螺栓的可靠工作。连杆螺栓常见的易断部位如图5所示。
1、连杆螺栓导致断裂的故障原因
（1）装配时扭紧力矩过大，用力不均匀。
由于装配中没有严格的配用扭力扳手，具体扭紧力矩又不太了解，认为越紧越好;紧固连杆螺栓用较长的加力杆，扭紧力矩过大，超过了连杆螺栓材料的屈服极限，使连杆螺栓出现屈服变形，使之在冲击载荷的作用下因过度的伸长而断裂。应强调的是，一定要按标准扭紧连杆螺栓，千万不能认为越紧、力量越大越好。
（2）连杆分多种级别，在检修中应注意不能换用不同级别的连杆。
如果在检修中由于马虎不仔细将连杆盖搞乱、错装，会造成连杆大头结合面的配合不紧密，在柴油机运行中会造成连杆盖松动而导致连杆螺栓的断裂。
（3）在运行中出现飞车故障或活塞在气缸内烧死的故障，将连杆螺栓拉断。
如果柴油机在使用中出现过飞车的故障，应对柴油机做一次全面检查，最好更换连杆螺栓；如果在运行中个别气缸出现过较严重的拉缸，在更换气缸活塞组件时也应将连杆螺栓更换。
（4）材质问题、加工缺陷及热处理工艺问题也会导致连杆螺栓在柴油机运行中出现断裂。
2、连杆螺栓的检测
（1）检查连杆螺栓的最小直径。对于6BT行柴油发电机连杆螺栓，如直径小于13.72mm，则应予以更换。
（2）连杆螺栓或螺母的螺纹已损坏时，应予以报废。
（3）螺孔中的导向孔径。如果连杆的导向孔径大于15.88mm，应予以报废。
（4）检查装连杆螺栓凸台的圆角。连杆螺栓凸台应有半径为1.14～1.40mm的圆角。修磨圆角最大允许切削量为1.587mm。加工后应去除凸台上所以锐角。
3、连杆螺栓安装及注意事项
为了防止连杆螺栓安装不当引起变形或断裂，安装时应注意以下几点：
（1）安装前
认真进行外观检查，并检验连杆螺栓与螺母的配合情况，应无卡阻和松动现象。安装前先用清洁柴油或汽油洗去连杆螺栓及螺母内污物，以免降低其拧紧力。连杆螺栓与连杆螺母最好成套使用，不得互换，以免降低配合精度。
（2）预拧紧方法
上紧连杆螺栓的方法和预紧力的大小均应按柴油发电机说明书的规定进行。因为预紧力的过大或过小、各连杆螺栓的预紧力不均匀等均不能保证其工作的可靠性。为保障连杆总成加工后的尺寸精度符合产品要求，必须在连杆总成加工前连杆螺栓处于加力拧紧状态，因此，连杆螺栓的装配拧紧工序也就显得十分重要。
连杆螺栓的装配拧紧工序分为预拧紧和终拧紧两个工步，预拧紧有两个作用：一是为终拧紧作准备；二是检验连杆体、盖螺纹孔尺寸是否合格，是否有烂牙，是否有铁屑和异物等现象存在。
预拧紧通常采用气动拧紧枪上力，通过连接在气动拧紧枪上的标准内梅花套筒和连杆螺栓梅花头充分啮合，在气动拧紧枪转动的过程中带动连杆螺栓旋入连杆螺纹孔（气动拧紧枪的力为0.1-0.3MPa），使连杆螺栓法兰面和连杆盖凸台面A贴合，到此预拧紧工作完成。
（3）拧紧连杆螺栓的要领
安装轴瓦后，装入柴油机。使用扳手进行拧紧连杆螺栓时，用力矩扳手按规范力矩值上紧连杆螺栓，2根连杆螺栓拧紧顺序：①一②一①；4根连杆螺栓拧紧顺序：①一④一②一③一①，如图6所示。
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图5 连杆螺栓易断裂部位 |
图6 连杆螺栓拧紧顺序 |
总结：
装配时，应用扭力扳手将连杆螺栓交替均匀，拧至规定扭矩。各机型柴油机的连杆螺栓扭矩标准不尽相同，在缺乏技术资料的情况下，可根据连杆螺栓直径估算其安全扭矩范围。拧连杆螺栓时若发现同一连杆上某一连杆螺栓扭矩超过规定值过多，应将该连杆上的两只连杆螺栓全部拧松后重新拧紧，而不应仅仅松退拧得过紧的那只连杆螺栓，否则会使连杆螺栓受力不均。若连杆螺栓拧紧后转不动曲轴，应查找原因，切不可拧松连杆螺栓。当连杆轴颈的圆度过大及轴承与轴颈配合间隙过大时，连杆螺栓在工作中会受到交变冲击应力，易过早疲劳折断，因此，必须先修磨轴颈，再更换连杆螺栓。
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