孫繼紅
(清原滿族自治縣農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)站，遼寧 清原 113300)
0 引言
曲軸是柴油機(jī)受力復(fù)雜和貴重的零件之一，其功用是將活塞和連桿傳來(lái)的氣體作用力轉(zhuǎn)變成扭矩輸出，用以驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)等工程機(jī)械行駛。此外，柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)和一些附件如水泵、機(jī)油泵、噴油泵等也由曲軸驅(qū)動(dòng)。柴油機(jī)工作時(shí)曲軸承受氣體作用力，往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力以及它們所產(chǎn)生的力矩作用，使曲軸處于交變應(yīng)力狀態(tài)。曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，特別是曲柄與軸頸的圓角過(guò)渡區(qū)、潤(rùn)滑油孔附近。主軸頸和連桿軸頸在很高的比壓及相對(duì)速度下滑動(dòng)，柴油機(jī)曲軸易發(fā)生磨損、變形、裂紋或折斷等損傷，為了保證柴油機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行安全，維修人員需要了解曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及常見(jiàn)損傷的修理方法。
1 柴油機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
柴油機(jī)曲軸通常由優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)合金鋼和高強(qiáng)度球墨鑄鐵制造，其中鍛造曲軸多采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制造。強(qiáng)化程度較高的柴油機(jī)曲軸通常采用抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)較高的優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，如40Cr、38CrMo等。球墨鑄鐵曲軸的優(yōu)點(diǎn)是制造方便、成本低，可保證曲軸的形狀合理，耐磨性好，因而被廣泛應(yīng)用。WD615系列、YC6105QC型柴油機(jī)均采用球墨鑄鐵曲軸。
柴油機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)有整體式和組合式，大多數(shù)柴油機(jī)采用整體式，而6135系列和T815系列柴油機(jī)則采用組合式。
1.1 整體式曲軸
整體式曲軸由曲軸前端、曲拐、曲軸后端及平衡塊等組成。多缸柴油機(jī)曲拐的布置形式與曲軸的平衡性、柴油機(jī)著火順序及著火間隔有關(guān)。一般四沖程四缸柴油機(jī)均采用平面布置曲軸，常用的工作順序?yàn)閘—3—4—2或1—2—4—3，可以保證兩缸之間均勻著火。由于四個(gè)曲拐對(duì)稱于曲軸軸線的中心平面，平衡性較好。四沖程六缸直列式柴油機(jī)工作順序有1—5—3—6—2—4或1—4—2—6—3—5兩種。無(wú)論采用哪一種工作順序，其點(diǎn)火間隔角均為120°，六缸柴油機(jī)曲軸能實(shí)現(xiàn)自身完全平衡。
柴油機(jī)曲軸均采用全支承的結(jié)構(gòu)形式，即相鄰兩個(gè)曲拐之間都設(shè)有主軸頸。全支承曲軸剛度和強(qiáng)度較高，主軸頸載荷小，工作可靠。為了提高曲軸的整體剛度，鑄造曲軸的主軸頸多為實(shí)心結(jié)構(gòu)。連桿軸頸又稱曲柄銷，大多數(shù)鑄造曲軸的連桿軸頸做成空心的，既可減少質(zhì)量，又可減小離心力。有些連桿軸頸的中心線稍向外偏移，可進(jìn)一步減少連桿軸頸產(chǎn)生的離心力。有時(shí)將連桿軸頸中的孔道兩端密封起來(lái)形成潤(rùn)滑油腔。油腔可對(duì)雜質(zhì)起離心過(guò)濾作用。應(yīng)定期對(duì)油腔進(jìn)行清洗，防止雜質(zhì)沉積過(guò)多而堵塞油道。曲柄臂多制成橢圓或圓形，以提高材料的利用率。
柴油機(jī)曲軸均布置有一定數(shù)量的平衡塊，平衡塊形狀大多為扇形。因?yàn)樯刃沃貕K的質(zhì)心距曲軸旋轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)，用較小的質(zhì)量即可產(chǎn)生較大的離心力，有利于減輕曲軸的整體質(zhì)量。柴油機(jī)曲軸與平衡塊多制成一體結(jié)構(gòu)，少數(shù)柴油機(jī)曲軸與平衡塊分開(kāi)制造，加工后用螺釘裝在一起。
曲軸后端的密封一般采用回油螺紋配合甩油盤，擋油凸緣配合油封等措施，回油螺紋槽的螺旋方向與曲軸轉(zhuǎn)向相反。曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)螺紋槽中的潤(rùn)滑油也隨之旋轉(zhuǎn)，由于潤(rùn)滑油有黏度，在曲軸和汽缸體之間的潤(rùn)滑油因汽缸體表面的附著作用，使?jié)櫥团c曲軸表面產(chǎn)生速度差，螺紋槽中的潤(rùn)滑油被推向汽缸體內(nèi)，故有很好的密封效果。曲軸后端伸出汽缸體外，飛輪通過(guò)定位銷或凸緣與曲軸后端的飛輪接合盤定位裝配，然后用螺栓緊固。
柴油機(jī)曲軸的曲柄臂與汽缸體側(cè)壁和主軸承蓋的端面間都有一定的軸向間隙。若間隙過(guò)小，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)卡死；若間隙過(guò)大，曲軸受軸向力時(shí)竄動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，影響活塞連桿組的正常工作。為了保證曲柄連桿機(jī)構(gòu)工作的位置，必須對(duì)曲軸的軸向竄動(dòng)加以限制，而在受熱膨脹時(shí)又能允許它自由伸長(zhǎng)，所以曲軸只能有一處設(shè)置定位裝置。曲軸軸向定位可以選擇在前端、后端或中間主軸頸處。
曲軸前端定位通常采用整體式止推環(huán)或雙金屬片，雙金屬片的一邊澆有減磨合金。兩雙金屬片分別置于主軸承兩側(cè)。雙金屬片與曲柄臂之間的間隙為0.05～0.25 mm，其余主軸承蓋與曲柄臂之間的軸向間隙不小于0.75 mm。
曲軸中間定位或后端定位多采用翻邊軸瓦和半圓止推片，其中半圓止推片應(yīng)用較廣。YC6105QC型柴油機(jī)曲軸的四片半圓形止推片，上、下分別裝于第四道主軸承的兩邊，其軸向間隙為0.09～0.21 mm。這種定位方式的優(yōu)點(diǎn)是，后端受到較大軸向推力時(shí)可避免產(chǎn)生曲軸的較大彎曲變形，同時(shí)也可降低對(duì)汽缸體和曲軸加工尺寸鏈精度的要求。安裝止推片時(shí)，必須把開(kāi)有油槽的減磨合金層正對(duì)曲軸曲拐。
1.2 組合式曲軸
組合式曲軸的特點(diǎn)是，主軸承采用滾動(dòng)軸承，其過(guò)盈配合內(nèi)圈套在每?jī)晒?jié)曲軸相連接的主軸頸上，軸承內(nèi)圈是需要在油中加熱到規(guī)定溫度下再進(jìn)行裝配的。
T815-3-929型十缸柴油機(jī)曲軸由曲軸前端軸、后端軸和5個(gè)曲拐組成，兩節(jié)曲軸之間分別用四條短螺栓和一條長(zhǎng)螺栓(穿過(guò)曲軸連桿軸頸中心孔)連接、緊固成一體，曲軸組裝好后應(yīng)在平臺(tái)上檢測(cè)曲軸總成的徑向跳動(dòng)量。徑向跳動(dòng)量可用調(diào)整連接螺栓的擰緊力予以校正。
T815-3A-929型柴油機(jī)曲軸平衡塊有兩種，第一和第五節(jié)曲拐上的平衡塊相同，位于連桿軸頸一側(cè)，兩種平衡塊不能互換，第三節(jié)曲軸不帶平衡塊。曲軸向曲軸箱安裝時(shí)應(yīng)先將平衡塊拆下，拆前要做記號(hào)，按原位裝復(fù)。由曲軸箱前端起，依次裝入曲軸箱內(nèi)。事先應(yīng)對(duì)曲軸主軸承外圈加以選擇，使外圈內(nèi)徑，可以裝到曲軸箱臨末端座孔，向前各軸承依次增大，形成階梯形內(nèi)孔，這樣便可容易地將曲軸裝入曲軸箱內(nèi)。
組合式曲軸組裝時(shí)，為了保證其相對(duì)位置的準(zhǔn)確性，把與后節(jié)連接的曲拐定為第一節(jié)，按順時(shí)針?lè)较蛞来蜗蚯盀榈诙�、第三、第四、第五和前�?jié)。第一節(jié)與后節(jié)組裝夾角相隔72°，依此類推。
曲軸后節(jié)有一節(jié)V形缺口，組裝時(shí)缺口對(duì)準(zhǔn)第一節(jié)曲拐。飛輪上有0刻線，在汽缸活塞上止點(diǎn)時(shí)飛輪0點(diǎn)刻線向上，為了保證飛輪與曲軸后節(jié)的正確安裝位置，飛輪螺栓孔是非均布的。曲軸后端裝有止推軸承，以限制曲軸軸向移動(dòng)，安裝時(shí)鍍銅面向外(飛輪)。曲軸軸向間隙0.08～0.26 mm，間隙過(guò)大將會(huì)引起潤(rùn)滑油泄漏。
2 曲軸維修的技術(shù)要點(diǎn)
2.1 變形
曲軸彎曲使連桿軸頸與主軸頸的中心線不平行，各主軸頸不同心，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，不僅使活塞連桿組的工作性能變壞，而且將會(huì)產(chǎn)生燒瓦、抱軸乃至斷軸等嚴(yán)重后果。軸頸磨損超限，需磨修的曲軸如果彎曲，若不校直，則會(huì)加大磨削量，造成浪費(fèi)。所以，凡磨修的曲軸，在磨修前都要檢查曲軸的彎曲度。按技術(shù)要求，超過(guò)0.10 mm·m-1彎度的曲軸就應(yīng)進(jìn)行校直。
目前普遍的作法是當(dāng)曲軸的彎度在0.10 mm以內(nèi)時(shí)，可用磨削的方法來(lái)消除。彎度過(guò)大時(shí)，一般都采用冷壓校直法。這種方法是在壓力機(jī)上進(jìn)行的。有些維修廠無(wú)專用工作臺(tái)，操作起來(lái)既不方便，又不可靠。
有些修理廠自制了專用工作臺(tái)。工作過(guò)程是校直前先將曲軸置于特制的V型鐵上，然后沿曲軸的反方向施加壓力，如果彎曲度在1 mm以內(nèi)時(shí)，加壓后曲軸反向變形量大約是彎曲度的10～15倍，載荷要保持2 min左右，使曲軸產(chǎn)生一定的殘余變形，曲軸方可得到校直。
用這種校直方法，每次需要三個(gè)人合作。如果彎曲量過(guò)大，需要反復(fù)地進(jìn)行幾次，以免一次加壓反向變形量過(guò)大而造成應(yīng)力集中，使其疲勞強(qiáng)度降低。在操作過(guò)程中，由于不易掌握施壓大小，正反幾次施壓會(huì)使曲軸報(bào)廢。所以有時(shí)不得不采取大磨削量的方法消除彎曲，這樣就會(huì)使曲軸磨削掉1～2次的修理尺寸。
此外，還有修理廠采用火焰校直法。就是將軸頸一側(cè)加熱，然后使其急驟冷卻，產(chǎn)生局部變形而得到校直，此法易造成局部應(yīng)力集中或產(chǎn)生裂痕。
2.2 裂紋
對(duì)曲軸裂紋的修理方案，要取決于裂紋的長(zhǎng)度與深度，所以首先應(yīng)進(jìn)行探傷檢查。
(1)如果裂紋深度較淺，經(jīng)強(qiáng)度校核，不影響曲軸的使用，可以采用打磨的方法消除。但注意須將裂紋完全清除干凈，用油石打磨鑿出槽，使之圓滑過(guò)渡，以減小應(yīng)力集中。為了安全可靠的使用，經(jīng)過(guò)這樣處理后，柴油機(jī)要降低功率使用。
(2)如果裂紋較深、較長(zhǎng)，可考慮用焊補(bǔ)法修理；對(duì)組合式曲軸，可更換裂紋部分的曲柄或主軸頸。焊后要進(jìn)行探傷檢查和對(duì)焊補(bǔ)處進(jìn)行必要的加工。通常，經(jīng)焊補(bǔ)的曲軸，其柴油機(jī)要降低功率使用。
(3)修理時(shí)，遇到徑向裂紋應(yīng)特別注意。當(dāng)徑向裂紋離圓角距離在6 mm以內(nèi)，且裂紋較深的，已不可修理。裂紋較淺的可以根據(jù)曲軸斷面積實(shí)際損失大小再判斷是否可以修復(fù)。
來(lái)源：《農(nóng)機(jī)使用與維修》2021年4期
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