某船發電柴油機曲軸修理工藝分析

張慶舉，王 洋，王世旭

(1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005)

曲軸是柴油機最重要的零件之一，受周期性交變載荷作用，受力情況比較復雜。曲軸狀態好壞直接影響柴油機工作的可靠性，尤其是增壓柴油機，其曲軸的可靠性直接決定了增壓柴油機能否正常工作。因此，曲軸檢驗是船用柴油機檢驗的重點必檢項目。某希臘籍散貨船來廠修理時，發現該船某臺發電柴油機曲柄銷軸異常磨損，并且熱態時靠近飛輪的曲柄臂距差達到了極限值。為保證發電柴油機的安全運行，必須進行曲軸修理。

1 發電柴油機組的組成和曲軸存在的問題

1.1 發電柴油機組的組成及結構特點

該船發電柴油機組由1臺柴油機和1臺發電機組成。柴油機采用日本DAIHATSU機，型號5DK-20；參數為缸徑D200、活塞行程300 mm、轉速900 r/min、功率660 kW；5缸帶渦輪增壓。發電機型號HFC-60，參數為額定功率750 kW、60 Hz、962 A，帶單側外伸軸承[1]。發電機轉子通過聯軸節與柴油機飛輪剛性連接，兩者固定在共同基座上，柴油機通過緊配螺栓定位固緊，發電機用定位銷定位，并用6個螺栓固緊。該發電柴油機組的結構布置示意圖見圖1。

1-柴油機；2-飛輪；3-定子端蓋；4-風扇葉輪；5-發電機；6-定子；7-轉子；8-外伸軸承圖1 發電柴油機組結構布置示意圖

1.2 發電柴油機曲軸存在的問題

1)曲柄銷軸頸異常磨損。在曲軸檢驗時，需測量曲柄銷軸直徑，確定曲柄銷軸與連桿大端軸承間隙，判斷曲柄連桿工作狀態。將每缸曲柄轉至水平位置，在距曲柄臂20 mm截面上，分水平和垂直2個方向分別測量曲柄銷直徑，曲軸測量位置示意圖見圖2。

圖2 曲軸測量位置示意圖

曲柄銷直徑為170 mm，圓度標準值0.02 mm，極限值0.05 mm。測量數據顯示NO.1缸到NO.5缸曲柄銷軸磨損異常，曲柄銷軸圓度、圓柱度超差，曲柄銷與連桿大端軸承間隙超差，曲柄銷軸直徑偏差測量數據見表1。圓度超差嚴重影響連桿大端軸承正常潤滑；圓柱度超差會使活塞在缸內傾斜，嚴重的會造成拉缸；軸承間隙超差在柴油機運轉時產生嚴重沖擊和噪聲，使軸承合金過度磨損[2]。因此，必須對曲柄銷軸進行修理，同時修理連桿并配制合適的連桿大端軸承，使曲軸、連桿配合恢復正常狀態，保證柴油機可靠工作。

表1 曲柄銷軸直徑偏差測量數據 mm

2)靠近飛輪的曲柄臂距差接近極限值。5DK-20發電柴油機活塞行程300 mm，說明書規定的臂距差0.03 mm，極限臂距差0.08 mm。曲柄銷軸及活塞連桿部件修理后，組裝開機，冷態和熱態曲柄臂距差數值見表2。

表2 冷態和熱態曲柄臂距差數值 mm

由表2可知，冷態時靠近飛輪的NO.1缸曲柄臂距差已超說明書規定的正常值，但因靠近飛輪且活塞行程小于400 mm，臂距差標準可放寬至0.125 mm/m。因此，該發電柴油機曲軸冷態安裝良好，可開機磨合。磨合30 min后，熱態檢查臂距，發現NO.1缸曲柄臂距差已達說明書規定的極限。在此情況下，為減少柴油機運轉時曲柄臂圓角處的交變應力，需對NO.1缸曲柄臂距進行調整，保證柴油機工作的可靠性。

2 曲柄銷軸磨損異常的原因分析及修理方案

2.1 曲柄銷軸磨損異常的原因分析及磨損特點

1)曲柄銷軸磨損異常的原因分析。曲軸在運轉時，軸頸因磨損，直徑會減小，又因磨損的不均勻性而產生圓度和圓柱度。

5DK-20發電柴油機是四沖程機，發火順序是1-3-5-4-2，在720°的一個工作循環中，每一個曲柄銷所受外力的大小、方向總在不斷變化。因此，長時間不斷循環變化的柴油機負荷是曲柄銷軸異常磨損并產生圓度的主要原因。另外，潤滑油液質量、曲柄銷軸表面粗糙度以及連桿大端軸承間隙對曲柄銷軸磨損也都有一定影響。

曲柄銷軸頸產生圓柱度的主要原因可能有：①活塞連桿裝置不正，曲柄銷在軸線方向所受壓力不均勻；②潤滑油液從曲柄銷軸斜孔油道出來時，在壓力和離心力作用下，油液中的硬質雜物會堆積在曲柄銷軸一端，使該處軸頸磨損嚴重；③連桿彎曲、曲軸彎曲和缸套軸向偏斜，使曲柄銷軸在軸向受力不均。

2)曲柄銷軸磨損的特點。5DK-20四沖程發電柴油機長時間運轉后，曲柄銷軸靠近曲軸軸線一側(內側)比遠離曲軸軸線一側(外側)磨損要大。原因是：在柴油機一個工作循環的4個沖程中，只有燃燒做功這一沖程才使曲柄銷外側受力而產生磨損；其余3個沖程中，活塞連桿運動產生的慣性離心力遠大于其往復運動的重力，使活塞連桿產生脫離曲柄銷軸的傾向，把連桿大端軸承經常壓在曲柄銷軸內側。這樣，在離心摩擦力作用下，曲柄銷軸內側就比外側磨損大得多。

2.2 曲柄銷軸修理方案

曲柄銷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。因軸頸強度足夠，有加工磨削裕量；因此，根據分級修理原則，決定采用曲軸磨削設備就地修理曲柄銷軸頸。

曲柄銷直徑為170 mm，實測軸徑偏差-0.17 mm，主要屬于內側單邊磨損。曲軸就地修理使用磨削設備，在安裝時需按曲柄銷軸兩端的過渡圓角找正，圓角不好的則必須修整，以滿足修后曲柄銷與曲軸軸線的平行度要求。曲柄銷軸內側單邊磨損大約0.17 mm，按圓角找正后要修圓曲柄銷軸頸，直徑方向必須減小0.34 mm，按軸徑0.25 mm的分級修理原則，把曲柄銷軸統一修至直徑169.50 mm。

同時修理連桿，檢查連桿大、小端孔軸線平行度，恢復連桿大端孔尺寸，消除連桿因彎扭引起的曲柄銷磨損。根據曲柄銷軸和連桿大端孔尺寸，配制標準間隙的加厚軸瓦，避免軸承間隙過大或過小不易建立潤滑油膜的情況發生。

曲柄銷軸修理后，空氣吹除潤滑油孔，人工清潔軸頸表面和曲軸箱。連桿活塞裝配后，檢查上下止點時活塞在缸內的位置，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 靠近飛輪的熱態臂距差異常的原因分析及臂距調整

3.1 靠近飛輪的臂距差熱態異常的原因分析

該發電柴油機組裝后，測量各曲柄臂距，計算臂距差數值。空載低速磨合30 min后，打開道門，檢查各軸承溫度，測量計算各曲柄臂距差。熱態檢查的結果是軸承溫度正常(65°左右)，NO.1缸臂距差-0.08 mm，其余臂距差均在0.03 mm范圍，數據見表2。

NO.1缸臂距差熱態異常的原因是：NO.1缸臂距靠近飛輪，在飛輪和轉子重量作用下，曲軸軸線在NO.1缸附近向上拱起，使NO.1缸臂距差為負值；柴油機運轉，軸承發熱，因溫度升高使臂距差負值加劇。因發電柴油機磨合時間較短，還未加載有效負荷，所以NO.1缸臂距差還有負值加劇的趨勢。曲軸臂距差過大，曲軸運轉時將產生交變附加應力，這將嚴重影響曲軸的疲勞強度。所以，NO.1缸臂距差需要往“0”或“+”的方向調整，使熱態臂距差不超過說明書規定的極限值。

3.2 NO.1缸臂距調整方案

HFC-60發電機殼體上裝有一個外伸軸承，殼體與定子連為一體，轉子軸一端裝在外伸軸承上，另一端通過聯軸節與柴油機飛輪剛性連接，柴油機飛輪與發電機轉子的重量全部由靠近飛輪的柴油機主軸承和發電機外伸軸承來承擔。因此，在剛性連接條件下，可抬高發電機外伸軸承位置來調整NO.1曲柄臂距，使其臂距差的負值減少或將其調整至“+”值。NO.1曲柄臂距調整示意圖見圖3。

圖3 NO.1曲柄臂距調整示意圖

曲柄臂內側距發電機外伸軸承前端約2 250 mm，曲柄銷軸線至臂距測量位置約385 mm，根據三角形相似關系，NO.1曲柄臂距的變動量Δa和發電機支座調整墊厚度H的關系是：

H=5.844×Δa。

(1)

NO.1臂距差熱態比冷態增加約0.045 mm，為使臂距差熱態時不超-0.030 mm，NO.1曲柄臂距差冷態時至少需調至+0.015 mm。加墊抬高外伸軸承對曲柄臂距的影響是雙向的，在增加曲柄在上止點臂距的同時又減小了曲柄在下止點的臂距，即臂距調整0.01 mm，臂距差大約變化0.02 mm。

因此，要把熱態時的臂距差-0.080 mm調整至-0.030 mm，臂距差的最小變動量為0.050 mm，需要的最小臂距變動量為0.025 mm。根據公式(1)計算，發電機外伸軸承前端最小需要抬高0.146 mm。

冷態時，NO.1臂距差是-0.035 mm，臂距調整后臂距差不應超過+0.03 mm，冷態臂距差的最大變動量為0.065 mm，需要的最大臂距變動量為0.032 mm。根據公式(1)計算，發電機外伸軸承前端最大抬升量為0.187 mm。

綜上所述，決定發電機外伸軸承前端抬高0.150 mm，臂距變動大約0.026 mm，熱態臂距差大約回調至-0.024 mm，冷態臂距差大約回調至+0.017 mm。

4 曲柄臂距調整效果的驗證

柴油機與發電機在同一公共基座上，發電機底座兩邊各用3個螺栓固緊，在固緊螺栓處，各加0.150 mm調整墊。因發電機定子位置發生變化，所以，開機磨合前必須檢查發電機定子、轉子的間隙。發電機定位固緊時定子的校中是通過調整轉子、定子間隙來實現的。發電機抬升后，打開圖1中的定子端蓋，用塞尺測量轉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%以內，因此，定子對轉子的對中情況良好，可以開機運轉。

開機前測量冷態時各曲柄臂距值，開機后磨合12 h，停車檢查各軸承溫度和熱態臂距。冷態、熱態各曲柄臂距均在允許范圍內，其中NO.1曲柄冷態、熱態臂距差見圖4。

圖4 NO.1曲柄冷態、熱態臂距差

圖4是按臂距表所在位置讀取的臂距值，根據臂距可計算臂距差。

水平方向臂距差的計算公式[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的臂距；d左為臂距表在左舷時的臂距。

垂直方向臂距差的計算公式[4]為：

(3)

式中，dV為垂直方向臂距差；d下為臂距表在下止點時的臂距；d左上為臂距表在上止點左時的臂距；d右上為臂距表在上止點右時的臂距。

經計算，NO.1曲柄冷態臂距差為：水平方向0，垂直方向+0.015 mm；熱態臂距差為：水平方向0，垂直方向-0.030 mm。測量值與預估值基本吻合。

5 曲軸修理過程中應注意的問題

1)曲軸檢驗時需測量曲柄銷軸直徑，然后計算各截面的圓度和整個軸頸的圓柱度。圓度表明某個截面的磨損程度，數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]。圓柱度表明整個軸頸表面的磨損程度，數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]。曲柄銷軸圓度、圓柱度誤差計算后，用說明書標準來衡量是否超差并決定是否需要修理。

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

3)用抬高外伸軸承方法調整NO.1曲柄臂距的前提條件是發電機轉子只有1個外伸軸承，且轉子與柴油機飛輪剛性連接。發電機外伸軸承、發電機定子均固定在發電機殼體上，抬高外伸軸承時定子跟著抬高，定子、轉子相互位置可能發生變化。調整結束后，必須檢查定子、轉子間隙，確保定子對轉子的對中要求。

4)曲柄臂距變動量與外伸軸承抬升高度的計算公式僅是近似計算公式，臂距調整后的實測值與計算值可能存在誤差。調整的方法是：用計算值粗調，根據誤差微調，以實測計算的臂距差在說明書允許范圍內為準。

5)與單側外伸軸承發電機剛性連接的柴油機，熱態、冷態曲軸臂距差是否一致，有無差別因機型而異。一般情況下，除靠近飛輪的曲柄外，其他曲柄熱態、冷態的臂距差基本一致，都在標準臂距差范圍內?？拷w輪的曲柄臂距差，其熱態、冷態數值可能有區別，只要熱態不超極限、冷態都在0.075～0.125倍的活塞沖程范圍內，就認為曲軸安裝良好。

6 結束語

曲軸經過就地磨削修理，裝配同步修理的其他部件，在發動機定子對中情況良好條件下，開機磨合并進行負荷試驗。根據測量曲軸熱態臂距差的異常情況，調整發電機外伸軸承高度使靠近飛輪的NO.1曲柄臂距差在允許范圍。發電柴油機試驗結果表明，曲軸修理工藝方案可行，發電機運行狀態良好，各部軸承溫度正常，各曲柄臂距差均在說明書規定的范圍內，為船舶正常運營提供了堅實的保障。