柴油機曲軸連續性供油方式研究與設計

摘? 要：以6300柴油機為研究對象，計算并分析曲軸潤滑油供應的不連續性，研究可能導致曲柄銷軸瓦潤滑油間斷時刻，以及當越過供油死角壓力突降而造成油孔周圍的穴蝕。設計一種連續供應曲軸潤滑油的裝置，確保柴油機在任何曲柄轉角下都能充足供油。

關鍵詞：供油連續性;穴蝕;供油方式;設計新裝置

0 引 言

現有柴油機滑動式曲軸主軸承和曲柄銷軸承均依靠主軸承上蓋通道供油，由于油孔相對時位置所占曲柄轉角很小，供油呈大小變化狀態。特別是當楔形油膜壓力等于或超過供油壓力時，實際供油即已停止，供油連續性不能保證。另外，在柴油機啟動初期或低轉速狀態，由于曲軸重力作用，主軸承下瓦完全處于缺油狀態，造成軸徑和軸承嚴重的摩擦磨損，影響設備的安全使用壽命。而主軸承下瓦就是供油和潤滑最差的部位。

因此，尋找一種合理的軸承潤滑供油方式，以確保主軸承下瓦在任何時候都能得到充分供油潤滑，是柴油機技術發展的一項課題。

1 分析曲軸的供油狀態（以6300柴油機為例）

1.1 6300曲軸結構參數

6300柴油機曲軸總長2 900 mm，主軸頸Φ195 mm，單元主軸長度2-6道110 mm，第一道長130 mm，第七道長128 mm。曲柄銷Φ195 mm，單元長度120 mm。曲柄臂厚85 mm，寬400 mm。

主軸頸油孔直徑10 mm。

1.2 6300曲軸供油狀態

從曲軸上方的油孔供油，一部分在主軸瓦兩側泄流回曲軸箱，一部分沿曲軸內部通道進入曲柄銷軸瓦處，最后也在兩側泄流回曲軸箱，如圖1所示。

油孔在位置1時，油孔相對供油順暢。

在位置2時供油壓力等于楔形油膜產生的壓力，供油停止。

位置2-3一段轉角，均無供油。

3-1供油又開始逐漸加大，如圖2所示。

按照主軸頸195mm，油孔直徑10mm，計算油孔所占的曲柄轉角為：θ/2=arc sin10/195=2.9693°， θ=6°，如圖3所示。

因此，曲軸供油量成為斷續供油狀態。全額供油僅為36°曲柄轉角，其余均處于油量下降、停止或上升狀態中，如圖4所示，為曲柄供油量狀態。

1.3 6300軸承供油分析

主軸承上蓋與主軸頸油孔相對位置曲柄轉角很小，其余角度供油不充分或不能供油。

在柴油機啟動或低速運行時，由于曲軸本身重力作用，主軸承下瓦處于干摩擦狀態。

由于油量供應不足或間斷，主軸承及下瓦摩擦磨損嚴重。長期將嚴重損害使柴油機使用的安全性和可靠性。

2 曲軸連續供油方式的設計

2.1 自由端連續供油設計

從自由端曲軸軸心供油，油孔總是處于全開狀態。同時在主軸頸和曲柄銷頸上上下對側開孔，可實現上下同時供油，如圖5所示。

自由端開口能有效解決連續性曲軸供油問題，避免因油孔錯位時通道流量下降或停止的缺陷。曲軸無論轉到什么角度位置，即便曲軸供油孔轉到正下位，供油孔均處于開啟位置。方案中已經改設成上下對穿油孔，理論上可形成上下同時供油。

2.2 下瓦中間開槽設計

一般柴油機上瓦開槽，而下瓦不開槽，如圖6所示。新型設計下瓦中間也同樣開槽。

為了在較低靜壓頭下，下瓦能在轉動時產生楔形油膜，油槽必須開的較淺。在啟動或低速運轉時仍有充分的潤滑布油，必須進行花槽設計，如圖7所示。下瓦開槽相當于在柴油機停車、啟動或慢速轉動時，下瓦中間始終保留一定量的潤滑油，任何時候都不會干摩擦。由寬向外漸窄由深向外漸淺的花槽開設，為下瓦的均衡布油提供了幫助，使主軸頸和軸承處于油膜潤滑狀態。

3 需要解決的其他問題

3.1 曲軸油道改造

曲軸中的供油呈串聯形態，油壓因管道阻力，從自由端到負載端會逐漸降低。考慮油壓問題，滑油泵供油壓力必須相應提高，曲軸油道從自由端開始需呈漸縮型，如圖8所示，以保證供油末端的油壓。

3.2 動靜油管連接

滑油泵供油管稱為靜管，曲軸滑油通道稱為動管，二者之間連接而又保證極少的泄漏量問題，需要特殊的機械軸封加以解決。

3.3 下瓦油槽開設

開花槽后下瓦的強度需得到保證。

軸承所受承壓應由氣體力、慣性力及離心慣性力組成。

①氣體力：氣體力與柴油機的工作過程和負荷有關，氣體力有周期交變規律。根據p-v或p-ψ示功圖可知，因此

D為氣缸直徑，Pg為氣缸中的氣體壓力。

②往復慣性力：集中在活塞中心處的往復運動質量mj在作不等速往復運動時產生往復慣性力Fj為

X為活塞位移

用活塞加速度公式代入，得

R為曲軸半徑，λ為連桿比，ω為曲柄角速度，α為曲軸轉角

③離心慣性力：集中在曲柄銷中心線處的不平衡回轉質量mg在作勻速回轉運動時產生的離心慣性力FR，可表示為

以上三者共同作用是軸承所受總力，有

由材料沖擊韌性公式，可知

Ak 軸承所受的沖擊能，αk材料的沖擊韌度

對于某種材料來說，其沖擊韌度是一定的，因此軸承截面S的大小只取決于沖擊載荷的大小。一般柴油機軸承承壓部分只占120°至150°角，取120°軸承面積減去圖10陰影部分累計總和，就是軸承實際承壓面積。

只要實際承壓面積大于理論計算結果，軸承就是安全可靠的。

4 結 論

為了防止曲軸油孔轉向下側時暫時斷油，在油孔暢流瞬間因壓力降低而形成空泡腐蝕，保證曲軸在任何工作狀態均能連續不斷地供油，采用自由端連續供油方式的設計，且把曲軸油道開設成漸縮型。

同時為了曲軸油孔向下側時油道的相對暢通和合理布油，在下瓦上開設油道，并且呈花槽形態，能有效改善背壓造成的供油壓力波動。

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作者簡介：

朱永強，副教授，高級實驗師，專業帶頭人，從事輪機工程技術專業教學與科研，（E-mail）zyqiang@zjvtit.edu.cn，13675897839