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故障检修与技术维护 |
曲轴止推瓦片失效原因、间隙要求及润滑条件 |
摘要：为提高目前柴油机维修市场的技工对曲轴止推瓦的进一步了解，正确使用并更换止推瓦及与曲轴轴向间隙相关联处的一些认识。康明斯发电机厂家本文就针对柴油机曲轴止推瓦的一般定义、构造安装、间隙要求、润滑条件、止推瓦本身质量特性和维修前后的注意事宜作些简扼回顾，来讨论分析曲轴止推瓦脱落。希望对维修站正确判断柴油发电机机故障引发点会有一点帮助，本文也可作为康明斯发电机组授权经销商新上岗技工培训的一个业务教材。
一、止推瓦的定义、形状及材料
止推瓦又称止推滑动轴承，是机械传动所属承受轴向（沿着或平行于旋转轴线）载荷的减磨垫片。止推瓦品种繁多，因为用在曲轴上的，人们就称曲轴止推瓦。曲轴止推瓦也分别形状不同而称有止推环、止推瓦和翻边主轴瓦。翻边主轴瓦的翻边的侧面就是止推面功能。一般以采用半圆型止推瓦形状为多，有2—4片为一台机的。一台机为4片，以二个半圆为一组，分上下片，一般下片设有一个定位舌。
1、止推瓦的作用
在发动机曲轴的止推面处通常设置有止推片，以通过止推片为曲轴的轴向提供支撑，阻止曲轴轴向窜动。发动机工作时，止推片与曲轴之间存在有摩擦，为了降低摩擦，延长止推片的使用寿命，止推片的朝向曲轴的侧面设置有油槽，并且该侧面由油槽分割的各部分分别形成有斜面，这样在曲轴转动时，在斜面上可形成楔形油膜，以在曲轴和止推片之间进行润滑。但是，由于止推片上具有用于形成楔形油膜的斜面，因此，曲轴只能在与斜面相对应的方向转动而不能反向转动，也就是说，该种类型的止推片限定为只能装在曲轴的前止推面或者后止推面上，而不能装反（即用于前止推面的止推片不能用在后止推面上或者用于后止推面的止推片不能用于前止推面上）。但是由于止推片结构的特殊性，通过目视很难区分止推片是用于前止推面还是后止推面，严重影响装配效率，而一旦装错，会使止推片磨损严重，工作失效，直接造成发动机报废。
2、止推瓦的类型
目前在柴油发动机中，轴瓦作为摩擦副，既承担着轴与座孔之间的摩擦，同时又要传递曲轴的运动载荷。而曲轴在运动中，除了正常的旋转运动之外，由于大飞轮的存在，因此同时会有轴向串动，为了阻止曲轴的这种轴向串动，同时又必须使曲柄与瓦座之间有合理的运动间隙，现在通行的方法要么就是采用安装整体翻边瓦或者是镶边瓦，另一种是先在轴承座上安装曲轴瓦，然后在其两边安装止推片（如图1所示）。由于镶边瓦的成本低，同时安装快捷的优点，越来越多的发动机采用了镶边瓦这一形式。因此，传统的镶边瓦都是在瓦身两边安装止推瓦片，如图2所示。
3、材料的类型
止推瓦的材料，常用的有铝合金（AlSn20Cu、Al-Sn6Cu）与钢（08Al、10、SPHC）的复合金属板；有铜合金（CuPb24Sn4、CuPb10Sn10）与钢（08Al、10、SPHC）的复合金属板；也有选用全铝合金或全铜合金的。止推瓦（thrust washers）属于滑动轴承类。2003年3月出版的《中国机械工业标准汇编》中中国标准出版社和全国滑动轴承标准化技术委员会共同选编的〔滑动轴承卷〕中有32个国家准，22个行业标准；其内容包括：术语、分类及符号，检验方法，材料和产品技术要求。此汇编对有需求的高级维修技工会有参考价值。
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图1 柴油机普通止推片结构示意图 |
图2 曲轴镶边瓦止推片结构图 |
二、曲轴止推瓦的工作环境
1、止推瓦的工作条件
柴油机轴瓦、止推瓦是柴油机的主要摩擦副，它承受很高的动载荷。在柴油机运行中相比于其它零件，是处于最恶劣的工况下工作的零件。柴油机80%以上的故障均与轴瓦止推瓦等摩擦副的磨损有关，而磨损故障的最直接的、最根本的原因往往就是润滑失效。滑动轴承（止推瓦）系统实际上就是一个相对作用并相互作用且相互牵连的若干元素的有机结合体。作为摩擦副的止推瓦带铝/铜合金设有油槽一面与曲轴端平面的相对运动的表面之间，始终要求存在足够厚度的、完整的、连续的油膜，并保持曲轴一定的轴向间隙。从滑动轴承系统图中可以了解，止推瓦的正常工作必须保持的主要条件：止推工作面有油槽/油穴，能抵抗和缓解暂短的缺油而避免干摩擦。适宜的工作间隙，工作时会产生足够厚度的完整的油膜。有油的流动降低摩擦发生的温升。
2、间隙的选取
大中型柴油机曲轴轴向间隙为0.052~0.255mm，磨损极限为0.35mm；小型柴油机曲轴轴向间隙可取0.08~0.15mm。
以康明斯系列柴油机为例，止推瓦安装在曲轴第二道主轴瓦座前后两侧半圆的凹坑内，如图3所示。依靠主轴瓦座，防止脱落。止推瓦厚度为2.31±0.02，若柴油机磨合期结束时的轴向间隙为0.13 mm左右时，此机规定磨损0.35-0.13=0.22mm，也就是说止推瓦的止推面磨损大于0.22 mm，轴前后窜动量超过0.35mm或止推瓦单片磨损较大时，应进行更换。如图4所示，安装前注意对其进行润滑，防止缺油导致新故障。
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图3 柴油机止推轴承安装位置示意图 |
图4 止推轴承的润滑和安装间隙 |
三、防止止推瓦事故的方法
止推瓦出现事故的原因有一种是止推瓦装反，使止推瓦钢面和钢质的曲轴止推面直接摩擦，迅速磨损.最后导致曲轴报废。止椎片在柴油机厂也有止推瓦在一台柴油机里装反一/二片的现象，但极少。维修点里发生的多一些。
1、正确安装
更换止推瓦时要正确安装，由于许多止推瓦设计是轴对称的且钢背加工后的面和铝合金面颜色接近，很容易装反；但有些止推瓦是凸舌来定方向的就不会装反，只要看清楚有油槽/油穴的一面即可（一定是碰磨工作面）。
2、止推瓦厚度选取
在考虑曲轴轴向间隙，选择适当的止推瓦厚度（若需要加厚止推瓦，要售配加厚厚度的+0.05、+0.10等），要检查止推瓦本身平整度小于0.125mm；要检查曲轴端面的垂直度、平整度及表面粗糙度，若己有损伤的缸体和曲轴端面要修复，一般要求曲轴端面粗糙度为Ra0.4-Ra0.06，止推瓦止推面为Ra1.6-Ra0.8；要检查与止推瓦钢背接触的面是否平整与清洁。
3、止推瓦间隙调整
通俗的说止推瓦是用来调节轴向窜动量大小的，可调控厚度的垫片。止推瓦间隙超过0.255mm，为间隙过大，其曲轴窜动大，影响马力并增大对钢套、活塞环的磨损，影响寿命，但3000小时时声音会越来越响，开始结碳烧机油，问题点就会明显暴露出来；间隙小于0.052mm时，为间隙过小，也因热涨因素，止推瓦长期碰磨且易缺油少油，引起加速磨损且止推瓦升温发热。另外曲轴端面不平整不光滑，会增大对止推瓦的快速磨损。维修人员如何来选取止推瓦的最佳厚度，是要斟酌的。
4、止推瓦质量选型
主机厂对止推瓦归属A类件要求是比较高的。供方都要经过APQP、PPAP的过程，主机厂每年要对其审核考查，且质量考核要求100ppm。
（1）对维修站用止推瓦应该用主机厂下发给的附配件，当然是原厂产品、质量可靠有保障。若对曲轴的端面进行过修正，为确定轴向间隙量需用加厚的同型号止推瓦时，可以向原厂取或找质量上乘的产品。对柴油机里的所用配件还是应用主机厂选用名牌货为佳。
（2）对于没有原厂产品配件的，对止推瓦产品重点检查：几何尺寸公差的符合，特别是厚度（百分尺用三点测量法）和平整度（在平扳上用塞尺要求小于0.12mm），双合金材料的结合度（可用180°来回弯曲一次，见合金面与钢背结合应牢固，结合处不得有杂物及分层现象）、表面粗糙度达Ra0.8（机加工对比块）.确需用加厚时可联系厂方，千万不要衬垫薄金属片等。
（3）没有三证的止推瓦，质量无保证的容易产生问题。止推瓦本身就有质量问题时.影响整个柴油机的性能。主要有止推瓦平整度不好、装机时就会卡机，当时就有异声：材料有许多指标、如：良好的减摩性、耐磨性和抗咬粘性、良好的摩擦顺应性、嵌入性和磨合性，足够的强度和抗腐蚀能力。材料不好，指减磨合金工作面材质不符合要求，会造成止推瓦早期失效，止推瓦会四片都快速磨损，窜动声越来越响，影响整个柴油机的使用寿命。
四、止推瓦常见故障分析
因为受外力的作用，使曲轴长期产生轴向力，使受力一对止推瓦与曲轴端面长期不间断碰磨，由于间隙变小且缺油，破坏了油膜，（正常的油膜应是足够厚度的、完整的、连续的）。此时止推瓦发热（缺油呈干摩擦升温）使止推瓦减磨工作面加速度磨损，钢背变深蓝呈高温退火，止推瓦变薄，上片有时会挤向下片位，止推瓦会变形掉落，柴油机异响。只要折检油底壳，发现机油中含有合金碎片及铁屑并检查可找到掉落的止推瓦。用查该整套台机旧件来分析，一对磨损严重，钢背发热过且表面呈深蓝，另一对磨损较少，但它也会在掉落过程冲击变形（柴油机在运转）。可以判定不是止推瓦质量问题，而是需要检查找到是什么原因使曲轴产生轴向力的。
1、新机常见的故障
现场发现有一片或以上止推瓦脱落的凭现代技术水准生产的国产柴油机出厂时都是好的；不到规定大修期限都不需要大修柴油机的。但凡是柴油机出现故障了，不管是否止推瓦本身毛病，其都会受招殃及，常见到止推瓦掉落在油底壳里。
最常见的一种毛病是：在整装过程中，由于外来因素，把柴油机曲轴向前顶了，使曲轴失去规定的轴向间隙，我们通常称作曲轴受有“轴向力”。则后一组止推瓦处无间隙/间隙小且少缺油，使止推瓦长时间处于碰磨状态，一般在2000运行小时时，后组止推瓦磨损有时可达1mm，钢背呈深兰色退火变软严重的会使双层合金分离，与此同时前一组止推瓦很少碰磨，随着后一组磨损变薄，前一组的间隙的相应变大，受曲轴冲击力（比如停机、换挡）影响到前一组的上片会挤进下片位成叠，严重的折曲落下。
2、利用旧件判断
从以上描过的故障，都不难在4片（二组）旧件中找到答案，4片磨损程度痕迹可分为二种，2片很严重，2片轻微。磨损程度严重的2片其钢背己呈深蓝暗色均己升温→高温→发热→退火→变软，看厚度变薄很多，有些铝/铜合金己磨损露钢；另二片磨损不大，但有些会己叠压折曲痕迹。如果在四片中发现钢背面上有一片或二片旋转磨损痕迹的，说明该片是装反了。要从挤压挤断残片中来分析判断当初装配时的方向，一般都可以从旧件和缸体接触后痕迹中分析。
3、加强维护保养
柴油机不受结合体外力干扰，曲轴轴向间隙处于正常，一般说不大修时不用更换止推瓦，在正常工作状况下，止推瓦不易损坏。
在柴油机运行中，如果发现曲轴的轴向窜动量大，要及时检查止推瓦的磨损情况，及时处理。对异常的情况不作检查，疏忽大意，止推瓦磨损不及时更换，最后导致曲轴及机体的报废。因此，每次二级保养均应拆卸油底壳，检查轴瓦、连杆瓦和止推瓦的磨损状态。一旦等止推瓦脱落已晚了，再坚持继续运行影响面就随之扩大，会产生一连串的损失，从而增添了维修成本。
4、正确判断故障引发点
证据齐全是判断故障的条件，在维修点察看打开柴油机的现场实物，维修站的审核工程师都能分折判断出故障引发点。柴油机厂的仲裁委员会专家工程师，只要有确切维修记录的档案和照片、并收集到完整的保持一台机的止推瓦旧件/残片，就能够正确裁决判定该故障引发的原因。
总结：
随着柴油发电机组工厂生产链的科学与进步，生产的柴油机本身都是优秀的，正常的柴油机工作是不会发生止推瓦失效的，柴油机不到大修间隔期就不需更换止推瓦。止推瓦和曲轴端面设计存在着有效间隙（一般有0.10~0.25mm），正常运转时止推瓦和曲轴不接触。要正确判定是否止推瓦短/中期失效，可以从该事发柴油机的全部的旧件/残片来分析。必须要解决一个误区，一见有止推瓦磨损或掉油底壳了，有些主机厂维修站就武断地判定是止推瓦质量问题，这样不科学至少欠公正的。是其忽视了止推瓦在柴油机的功能，止推瓦是设有减磨层可以让硬质曲轴端面碰磨的。
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