張慶舉，王 洋，王世旭

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116005)

曲軸是柴油機(jī)最重要的零件之一，受周期性交變載荷作用，受力情況比較復(fù)雜。曲軸狀態(tài)好壞直接影響柴油機(jī)工作的可靠性，尤其是增壓柴油機(jī)，其曲軸的可靠性直接決定了增壓柴油機(jī)能否正常工作。因此，曲軸檢驗(yàn)是船用柴油機(jī)檢驗(yàn)的重點(diǎn)必檢項(xiàng)目。某希臘籍散貨船來(lái)廠(chǎng)修理時(shí)，發(fā)現(xiàn)該船某臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)曲柄銷(xiāo)軸異常磨損，并且熱態(tài)時(shí)靠近飛輪的曲柄臂距差達(dá)到了極限值。為保證發(fā)電柴油機(jī)的安全運(yùn)行，必須進(jìn)行曲軸修理。

1 發(fā)電柴油機(jī)組的組成和曲軸存在的問(wèn)題

1.1 發(fā)電柴油機(jī)組的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該船發(fā)電柴油機(jī)組由1臺(tái)柴油機(jī)和1臺(tái)發(fā)電機(jī)組成。柴油機(jī)采用日本DAIHATSU機(jī)，型號(hào)5DK-20；參數(shù)為缸徑D200、活塞行程300 mm、轉(zhuǎn)速900 r/min、功率660 kW；5缸帶渦輪增壓。發(fā)電機(jī)型號(hào)HFC-60，參數(shù)為額定功率750 kW、60 Hz、962 A，帶單側(cè)外伸軸承[1]。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與柴油機(jī)飛輪剛性連接，兩者固定在共同基座上，柴油機(jī)通過(guò)緊配螺栓定位固緊，發(fā)電機(jī)用定位銷(xiāo)定位，并用6個(gè)螺栓固緊。該發(fā)電柴油機(jī)組的結(jié)構(gòu)布置示意圖見(jiàn)圖1。

1-柴油機(jī)；2-飛輪；3-定子端蓋；4-風(fēng)扇葉輪；5-發(fā)電機(jī)；6-定子；7-轉(zhuǎn)子；8-外伸軸承圖1 發(fā)電柴油機(jī)組結(jié)構(gòu)布置示意圖

1.2 發(fā)電柴油機(jī)曲軸存在的問(wèn)題

1)曲柄銷(xiāo)軸頸異常磨損。在曲軸檢驗(yàn)時(shí)，需測(cè)量曲柄銷(xiāo)軸直徑，確定曲柄銷(xiāo)軸與連桿大端軸承間隙，判斷曲柄連桿工作狀態(tài)。將每缸曲柄轉(zhuǎn)至水平位置，在距曲柄臂20 mm截面上，分水平和垂直2個(gè)方向分別測(cè)量曲柄銷(xiāo)直徑，曲軸測(cè)量位置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 曲軸測(cè)量位置示意圖

曲柄銷(xiāo)直徑為170 mm，圓度標(biāo)準(zhǔn)值0.02 mm，極限值0.05 mm。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示NO.1缸到NO.5缸曲柄銷(xiāo)軸磨損異常，曲柄銷(xiāo)軸圓度、圓柱度超差，曲柄銷(xiāo)與連桿大端軸承間隙超差，曲柄銷(xiāo)軸直徑偏差測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。圓度超差嚴(yán)重影響連桿大端軸承正常潤(rùn)滑；圓柱度超差會(huì)使活塞在缸內(nèi)傾斜，嚴(yán)重的會(huì)造成拉缸；軸承間隙超差在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊和噪聲，使軸承合金過(guò)度磨損[2]。因此，必須對(duì)曲柄銷(xiāo)軸進(jìn)行修理，同時(shí)修理連桿并配制合適的連桿大端軸承，使曲軸、連桿配合恢復(fù)正常狀態(tài)，保證柴油機(jī)可靠工作。

表1 曲柄銷(xiāo)軸直徑偏差測(cè)量數(shù)據(jù) mm

2)靠近飛輪的曲柄臂距差接近極限值。5DK-20發(fā)電柴油機(jī)活塞行程300 mm，說(shuō)明書(shū)規(guī)定的臂距差0.03 mm，極限臂距差0.08 mm。曲柄銷(xiāo)軸及活塞連桿部件修理后，組裝開(kāi)機(jī)，冷態(tài)和熱態(tài)曲柄臂距差數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 冷態(tài)和熱態(tài)曲柄臂距差數(shù)值 mm

由表2可知，冷態(tài)時(shí)靠近飛輪的NO.1缸曲柄臂距差已超說(shuō)明書(shū)規(guī)定的正常值，但因靠近飛輪且活塞行程小于400 mm，臂距差標(biāo)準(zhǔn)可放寬至0.125 mm/m。因此，該發(fā)電柴油機(jī)曲軸冷態(tài)安裝良好，可開(kāi)機(jī)磨合。磨合30 min后，熱態(tài)檢查臂距，發(fā)現(xiàn)NO.1缸曲柄臂距差已達(dá)說(shuō)明書(shū)規(guī)定的極限。在此情況下，為減少柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲柄臂圓角處的交變應(yīng)力，需對(duì)NO.1缸曲柄臂距進(jìn)行調(diào)整，保證柴油機(jī)工作的可靠性。

2 曲柄銷(xiāo)軸磨損異常的原因分析及修理方案

2.1 曲柄銷(xiāo)軸磨損異常的原因分析及磨損特點(diǎn)

1)曲柄銷(xiāo)軸磨損異常的原因分析。曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸因磨損，直徑會(huì)減小，又因磨損的不均勻性而產(chǎn)生圓度和圓柱度。

5DK-20發(fā)電柴油機(jī)是四沖程機(jī)，發(fā)火順序是1-3-5-4-2，在720°的一個(gè)工作循環(huán)中，每一個(gè)曲柄銷(xiāo)所受外力的大小、方向總在不斷變化。因此，長(zhǎng)時(shí)間不斷循環(huán)變化的柴油機(jī)負(fù)荷是曲柄銷(xiāo)軸異常磨損并產(chǎn)生圓度的主要原因。另外，潤(rùn)滑油液質(zhì)量、曲柄銷(xiāo)軸表面粗糙度以及連桿大端軸承間隙對(duì)曲柄銷(xiāo)軸磨損也都有一定影響。

曲柄銷(xiāo)軸頸產(chǎn)生圓柱度的主要原因可能有：①活塞連桿裝置不正，曲柄銷(xiāo)在軸線(xiàn)方向所受壓力不均勻；②潤(rùn)滑油液從曲柄銷(xiāo)軸斜孔油道出來(lái)時(shí)，在壓力和離心力作用下，油液中的硬質(zhì)雜物會(huì)堆積在曲柄銷(xiāo)軸一端，使該處軸頸磨損嚴(yán)重；③連桿彎曲、曲軸彎曲和缸套軸向偏斜，使曲柄銷(xiāo)軸在軸向受力不均。

2)曲柄銷(xiāo)軸磨損的特點(diǎn)。5DK-20四沖程發(fā)電柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，曲柄銷(xiāo)軸靠近曲軸軸線(xiàn)一側(cè)(內(nèi)側(cè))比遠(yuǎn)離曲軸軸線(xiàn)一側(cè)(外側(cè))磨損要大。原因是：在柴油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的4個(gè)沖程中，只有燃燒做功這一沖程才使曲柄銷(xiāo)外側(cè)受力而產(chǎn)生磨損；其余3個(gè)沖程中，活塞連桿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性離心力遠(yuǎn)大于其往復(fù)運(yùn)動(dòng)的重力，使活塞連桿產(chǎn)生脫離曲柄銷(xiāo)軸的傾向，把連桿大端軸承經(jīng)常壓在曲柄銷(xiāo)軸內(nèi)側(cè)。這樣，在離心摩擦力作用下，曲柄銷(xiāo)軸內(nèi)側(cè)就比外側(cè)磨損大得多。

2.2 曲柄銷(xiāo)軸修理方案

曲柄銷(xiāo)軸修理方案分出艙修理和就地磨削修理2種，出艙修理工程量大且成本較高，就地磨削修理能保證修船速度。因軸頸強(qiáng)度足夠，有加工磨削裕量；因此，根據(jù)分級(jí)修理原則，決定采用曲軸磨削設(shè)備就地修理曲柄銷(xiāo)軸頸。

曲柄銷(xiāo)直徑為170 mm，實(shí)測(cè)軸徑偏差-0.17 mm，主要屬于內(nèi)側(cè)單邊磨損。曲軸就地修理使用磨削設(shè)備，在安裝時(shí)需按曲柄銷(xiāo)軸兩端的過(guò)渡圓角找正，圓角不好的則必須修整，以滿(mǎn)足修后曲柄銷(xiāo)與曲軸軸線(xiàn)的平行度要求。曲柄銷(xiāo)軸內(nèi)側(cè)單邊磨損大約0.17 mm，按圓角找正后要修圓曲柄銷(xiāo)軸頸，直徑方向必須減小0.34 mm，按軸徑0.25 mm的分級(jí)修理原則，把曲柄銷(xiāo)軸統(tǒng)一修至直徑169.50 mm。

同時(shí)修理連桿，檢查連桿大、小端孔軸線(xiàn)平行度，恢復(fù)連桿大端孔尺寸，消除連桿因彎扭引起的曲柄銷(xiāo)磨損。根據(jù)曲柄銷(xiāo)軸和連桿大端孔尺寸，配制標(biāo)準(zhǔn)間隙的加厚軸瓦，避免軸承間隙過(guò)大或過(guò)小不易建立潤(rùn)滑油膜的情況發(fā)生。

曲柄銷(xiāo)軸修理后，空氣吹除潤(rùn)滑油孔，人工清潔軸頸表面和曲軸箱。連桿活塞裝配后，檢查上下止點(diǎn)時(shí)活塞在缸內(nèi)的位置，要求活塞在前后方向都有間隙，且最小間隙不小于該處總間隙的25%。

3 靠近飛輪的熱態(tài)臂距差異常的原因分析及臂距調(diào)整

3.1 靠近飛輪的臂距差熱態(tài)異常的原因分析

該發(fā)電柴油機(jī)組裝后，測(cè)量各曲柄臂距，計(jì)算臂距差數(shù)值。空載低速磨合30 min后，打開(kāi)道門(mén)，檢查各軸承溫度，測(cè)量計(jì)算各曲柄臂距差。熱態(tài)檢查的結(jié)果是軸承溫度正常(65°左右)，NO.1缸臂距差-0.08 mm，其余臂距差均在0.03 mm范圍，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

NO.1缸臂距差熱態(tài)異常的原因是：NO.1缸臂距靠近飛輪，在飛輪和轉(zhuǎn)子重量作用下，曲軸軸線(xiàn)在NO.1缸附近向上拱起，使NO.1缸臂距差為負(fù)值；柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承發(fā)熱，因溫度升高使臂距差負(fù)值加劇。因發(fā)電柴油機(jī)磨合時(shí)間較短，還未加載有效負(fù)荷，所以NO.1缸臂距差還有負(fù)值加劇的趨勢(shì)。曲軸臂距差過(guò)大，曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生交變附加應(yīng)力，這將嚴(yán)重影響曲軸的疲勞強(qiáng)度。所以，NO.1缸臂距差需要往“0”或“+”的方向調(diào)整，使熱態(tài)臂距差不超過(guò)說(shuō)明書(shū)規(guī)定的極限值。

3.2 NO.1缸臂距調(diào)整方案

HFC-60發(fā)電機(jī)殼體上裝有一個(gè)外伸軸承，殼體與定子連為一體，轉(zhuǎn)子軸一端裝在外伸軸承上，另一端通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與柴油機(jī)飛輪剛性連接，柴油機(jī)飛輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量全部由靠近飛輪的柴油機(jī)主軸承和發(fā)電機(jī)外伸軸承來(lái)承擔(dān)。因此，在剛性連接條件下，可抬高發(fā)電機(jī)外伸軸承位置來(lái)調(diào)整NO.1曲柄臂距，使其臂距差的負(fù)值減少或?qū)⑵湔{(diào)整至“+”值。NO.1曲柄臂距調(diào)整示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 NO.1曲柄臂距調(diào)整示意圖

曲柄臂內(nèi)側(cè)距發(fā)電機(jī)外伸軸承前端約2 250 mm，曲柄銷(xiāo)軸線(xiàn)至臂距測(cè)量位置約385 mm，根據(jù)三角形相似關(guān)系，NO.1曲柄臂距的變動(dòng)量Δa和發(fā)電機(jī)支座調(diào)整墊厚度H的關(guān)系是：

H=5.844×Δa。

(1)

NO.1臂距差熱態(tài)比冷態(tài)增加約0.045 mm，為使臂距差熱態(tài)時(shí)不超-0.030 mm，NO.1曲柄臂距差冷態(tài)時(shí)至少需調(diào)至+0.015 mm。加墊抬高外伸軸承對(duì)曲柄臂距的影響是雙向的，在增加曲柄在上止點(diǎn)臂距的同時(shí)又減小了曲柄在下止點(diǎn)的臂距，即臂距調(diào)整0.01 mm，臂距差大約變化0.02 mm。

因此，要把熱態(tài)時(shí)的臂距差-0.080 mm調(diào)整至-0.030 mm，臂距差的最小變動(dòng)量為0.050 mm，需要的最小臂距變動(dòng)量為0.025 mm。根據(jù)公式(1)計(jì)算，發(fā)電機(jī)外伸軸承前端最小需要抬高0.146 mm。

冷態(tài)時(shí)，NO.1臂距差是-0.035 mm，臂距調(diào)整后臂距差不應(yīng)超過(guò)+0.03 mm，冷態(tài)臂距差的最大變動(dòng)量為0.065 mm，需要的最大臂距變動(dòng)量為0.032 mm。根據(jù)公式(1)計(jì)算，發(fā)電機(jī)外伸軸承前端最大抬升量為0.187 mm。

綜上所述，決定發(fā)電機(jī)外伸軸承前端抬高0.150 mm，臂距變動(dòng)大約0.026 mm，熱態(tài)臂距差大約回調(diào)至-0.024 mm，冷態(tài)臂距差大約回調(diào)至+0.017 mm。

4 曲柄臂距調(diào)整效果的驗(yàn)證

柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)在同一公共基座上，發(fā)電機(jī)底座兩邊各用3個(gè)螺栓固緊，在固緊螺栓處，各加0.150 mm調(diào)整墊。因發(fā)電機(jī)定子位置發(fā)生變化，所以，開(kāi)機(jī)磨合前必須檢查發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的間隙。發(fā)電機(jī)定位固緊時(shí)定子的校中是通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子、定子間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)的。發(fā)電機(jī)抬升后，打開(kāi)圖1中的定子端蓋，用塞尺測(cè)量轉(zhuǎn)子軸與殼體孔的上下左右間隙，最大間隙與平均間隙的差值均在平均間隙的10%以?xún)?nèi)，因此，定子對(duì)轉(zhuǎn)子的對(duì)中情況良好，可以開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

開(kāi)機(jī)前測(cè)量冷態(tài)時(shí)各曲柄臂距值，開(kāi)機(jī)后磨合12 h，停車(chē)檢查各軸承溫度和熱態(tài)臂距。冷態(tài)、熱態(tài)各曲柄臂距均在允許范圍內(nèi)，其中NO.1曲柄冷態(tài)、熱態(tài)臂距差見(jiàn)圖4。

圖4 NO.1曲柄冷態(tài)、熱態(tài)臂距差

圖4是按臂距表所在位置讀取的臂距值，根據(jù)臂距可計(jì)算臂距差。

水平方向臂距差的計(jì)算公式[3]為：

dH=d右-d左,

(2)

式中，dH為水平方向臂距差；d右為臂距表在右舷時(shí)的臂距；d左為臂距表在左舷時(shí)的臂距。

垂直方向臂距差的計(jì)算公式[4]為：

(3)

式中，dV為垂直方向臂距差；d下為臂距表在下止點(diǎn)時(shí)的臂距；d左上為臂距表在上止點(diǎn)左時(shí)的臂距；d右上為臂距表在上止點(diǎn)右時(shí)的臂距。

經(jīng)計(jì)算，NO.1曲柄冷態(tài)臂距差為：水平方向0，垂直方向+0.015 mm；熱態(tài)臂距差為：水平方向0，垂直方向-0.030 mm。測(cè)量值與預(yù)估值基本吻合。

5 曲軸修理過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

1)曲軸檢驗(yàn)時(shí)需測(cè)量曲柄銷(xiāo)軸直徑，然后計(jì)算各截面的圓度和整個(gè)軸頸的圓柱度。圓度表明某個(gè)截面的磨損程度，數(shù)值上等于該截面不同方向最大直徑與最小直徑差值的一半[4]。圓柱度表明整個(gè)軸頸表面的磨損程度，數(shù)值上等于軸頸任一截面、任何方向最大直徑與最小直徑差值的一半[4]。曲柄銷(xiāo)軸圓度、圓柱度誤差計(jì)算后，用說(shuō)明書(shū)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量是否超差并決定是否需要修理。

2)活塞校中檢查時(shí)，不裝活塞環(huán)，連桿大端軸承端面與曲柄臂之間應(yīng)留(0.010～0.015)D的軸向間隙(D為曲柄銷(xiāo)直徑)。對(duì)于曲軸箱空間較小、活塞行程小于400 mm的柴油機(jī)，曲軸修理后可以不做活塞校中檢查。因?yàn)榘磮A角找正磨削曲柄銷(xiāo)軸時(shí)，圓角基準(zhǔn)已足夠保證各部件間的相互位置。另外，活塞行程小于400 mm的柴油機(jī)各部件，剛度足以保證本身不發(fā)生變形和彎扭。

3)用抬高外伸軸承方法調(diào)整NO.1曲柄臂距的前提條件是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子只有1個(gè)外伸軸承，且轉(zhuǎn)子與柴油機(jī)飛輪剛性連接。發(fā)電機(jī)外伸軸承、發(fā)電機(jī)定子均固定在發(fā)電機(jī)殼體上，抬高外伸軸承時(shí)定子跟著抬高，定子、轉(zhuǎn)子相互位置可能發(fā)生變化。調(diào)整結(jié)束后，必須檢查定子、轉(zhuǎn)子間隙，確保定子對(duì)轉(zhuǎn)子的對(duì)中要求。

4)曲柄臂距變動(dòng)量與外伸軸承抬升高度的計(jì)算公式僅是近似計(jì)算公式，臂距調(diào)整后的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值可能存在誤差。調(diào)整的方法是：用計(jì)算值粗調(diào)，根據(jù)誤差微調(diào)，以實(shí)測(cè)計(jì)算的臂距差在說(shuō)明書(shū)允許范圍內(nèi)為準(zhǔn)。

5)與單側(cè)外伸軸承發(fā)電機(jī)剛性連接的柴油機(jī)，熱態(tài)、冷態(tài)曲軸臂距差是否一致，有無(wú)差別因機(jī)型而異。一般情況下，除靠近飛輪的曲柄外，其他曲柄熱態(tài)、冷態(tài)的臂距差基本一致，都在標(biāo)準(zhǔn)臂距差范圍內(nèi)?？拷w輪的曲柄臂距差，其熱態(tài)、冷態(tài)數(shù)值可能有區(qū)別，只要熱態(tài)不超極限、冷態(tài)都在0.075～0.125倍的活塞沖程范圍內(nèi)，就認(rèn)為曲軸安裝良好。

6 結(jié)束語(yǔ)

曲軸經(jīng)過(guò)就地磨削修理，裝配同步修理的其他部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)定子對(duì)中情況良好條件下，開(kāi)機(jī)磨合并進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)量曲軸熱態(tài)臂距差的異常情況，調(diào)整發(fā)電機(jī)外伸軸承高度使靠近飛輪的NO.1曲柄臂距差在允許范圍。發(fā)電柴油機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，曲軸修理工藝方案可行，發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，各部軸承溫度正常，各曲柄臂距差均在說(shuō)明書(shū)規(guī)定的范圍內(nèi)，為船舶正常運(yùn)營(yíng)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。