《曲柄连杆机构》PPT课件.ppt

第三节 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是柴油机的主要运动件 ，主要包括曲轴和连杆对于十字头式 柴油机还包括十字头组件。曲柄连杆机 构的主要作用是将活塞的往复运动转换 成回转运动，并输出动力。 一、十字头(crosshead)组件 1.作用： 连接活塞与连杆 传递气体力与惯性力 承受侧推力 导向 2.结构：见图 十字头本体、十字头轴承(连杆小端轴承) 十字头销、十字头滑块、导板 3.十字头组件的工作条件： 十字头本体和轴承要承受周期性的气体爆发压 力；十字头滑块要承受侧椎力的作用。特别 是十字头轴承由于单向受力及连杆只作摆 动，不易形成良好的润滑，工作条件更为恶 劣。 4.十字头的结构 单滑块结构、圆筒形滑块结构和双滑块结构。 5.十字头与活塞杆的连接方式 两种：一种是活塞杆穿过十字头上的孔用 螺帽固定，另一种利用活塞杆下部凸缘 和螺栓与十字头连接。第一种形式由于 活塞杆穿过十字头，连杆小端采用分岔 形式，使十字头轴承工作可靠性降低， 现在已基本不用。而第二种形式由于连 杆小端采用全支撑式结构，扩大了轴承 的承载面积，改善了轴承的受力状况， 使十字头轴承的工作可靠性大大提高。 1 2 3 4 5 6 图2-24 十字 头的构造 1-活塞杆； 2-连杆小端轴 承盖； 3-十字头销； 4-滑块； 5-连杆小端轴 承座； 6-连杆杆身 （2）L-MC/MCE机型 导板与横隔板制为一体，提高刚度（RTA 机上使用螺栓bolt把在一起）。 向十字头输送滑油的是十字头销上托架 带动的套管，而非铰链。 活塞杆使用小螺栓把在活塞销上，而非 贯穿孔。 滑块上有导轨，而非小导板。 滑油进入十字头后，分三路： l一路去导板与滑块。 l一路去活塞孔上行冷却活塞顶再从活 塞杆流出（环行通道）。 l一路润滑连杆小端轴承后，从连杆内 下行润滑曲柄销轴承。 l他们均流回曲柄箱。 3）十字头轴承工作分析和提高可靠性措施 工作特点： 轴承比压大，力大，尺寸受限。 难以形成足够的润滑油膜。摆动角速度 时大时小，且不断改变方向，使之处于 边界润滑状态。 单向受力。二冲程机十字头销始终压在 轴承下瓦上。 受力不均。部件变形、局部受力严重， 一般内侧受力较大，易发生故障。 提高可靠性措施： （1）降低轴承比压 限制pz. 加大轴颈直径，比压下降刚度提高，利于润滑 油膜形成。 采用全支承轴承。在轴颈全长上都设轴承承压 面，扩大承压面积。 （2）使轴承负荷分布均匀 采用弹性结构。 采用刚性结构。 反变形 法。 增大轴承面的贴合面积。对于分岔式 轴承 （3）保证良好的润滑和冷却 保证油压。铰链机构或套管机构，专设滑油升 压泵（对薄壁铝锡合金轴瓦）。 RTA十字头轴承滑油压力1.01.2Mpa. 合理开设布油槽和输油槽。槽太多，承压面削 弱；槽太少，布油不均匀。轴向横槽不能开到 边缘，但也不能封闭滑油。 在轴承油槽端部开设小泄油槽保证冷却；油槽边 缘楔形斜面，且有适当角度和长度（防刮油及 油膜厚度）。 合适的轴承间隙。间隙太大油压不易建立；间 隙太小易抱轴。 （4）采用薄壁轴瓦。在钢背上浇注白合金 （高铝锡合金）。如LMC/MCE合金厚度 1.0-1.5mm.轴瓦加工精度高，不需拂刮 ，互换性好、拆装方便。 （5）提高十字头销颈表面光滑程度。 二、连杆connecting rod 1.连杆的工作条件和要求 作用：传递气体力和惯性力；连接活塞（十字头）与曲 轴；转变运动（往复回转）。 受力：气体力（具有冲击性）；惯性力；与piston pin/crosshead pin/crank pin产生摩擦。 要求： 耐疲劳、抗冲击，具有足够刚度和强度； 长度短、重量轻，加工容易，拆装方便；连杆轴承工作 可靠，寿命长。 选材：十字头机多用中碳钢，筒形机采用优质碳钢或合 金钢。 二冲程机中，连杆始终受压（大小方向周期变化）； 四冲程机中，连杆有时受压，有时受拉。 为一台二冲程柴油机的气体力Fg、往复 惯性力Fj以及其合力F随曲轴转角的 变化曲线。从中可以看出：活塞在上 止点（曲轴转角为0）附近时，由 于惯性力的方向和气体力方向相反， 合力小于气体力，但仍是正值，即力 的方向向下，使连杆受压；活塞在下 止点(曲轴转角为180 )附近时，因 为惯性力具有正值且较大，尽管气体 力较小，其合力仍比较大，使连杆受 压。当活塞在曲轴转角300附近时， 由于惯性力具有负值且大于气体力， 使合力出现负值，即力的方向向上， 使连杆受到拉伸，但拉力较小。在低 逮、增压柴油机中，由于惯性力较小 而气体力较大，一般合力都是正值， 使连杆始终受到压力的作用。对于四 冲程中、高速柴油机，在换气上止点 附近，由于气体力较小而惯性力较大 ，一般合力都是负值，使连杆受到拉 伸的作用。 图2-27 RTA-T-B 型柴油机连杆的 构造 1、6-连杆螺栓螺 母; 2、7-连杆螺栓; 3-小端轴承盖; 4、8-薄壁轴瓦； 5-连杆杆身; 9-大端轴承盖 2.连杆的构造 2.连杆的构造 1）十字头式连杆（RTA型） 小端：十字头端。由轴承盖、轴承座、薄壁轴瓦和螺栓 组成。薄壁轴瓦提高耐磨性。 杆身：由锻钢制造。杆身与大端剖分（称船用大端）， 剖分面上装有压缩比调整垫片。 大端:曲柄销轴承.由轴承盖、轴承座、垫片及螺栓杆组 成。没有轴瓦，白合金直接浇铸在轴承盖及座上（可 增大轴颈，利于散热），在浇铸白合金处开有燕尾槽 （使其结合牢固）。 螺栓：杆身上设定位环（减少拧紧力对螺栓的弯曲作用 ）；为柔性螺栓（耐疲劳）；用专用工具（液压拉伸 器）安装； 外螺纹用外罩保护（安装工具并防松）。 L-MC/MCE型 特点： 杆身与大小端合为一体。 杆身与大端不分开，称车用大端。 连杆小端刚性大，十字头销端短而粗， 采用全支撑（称刚性十字头轴承），承 载能力和可靠性增加。 2）筒形活塞式连杆 （1）平切口式连杆：大端剖分面与连杆轴 线垂直。 由杆身、大端轴承盖、小端轴承衬套、 大端轴瓦、连杆螺栓组成。 小端一般与杆身锻在一起。顶部加厚， 提高抗弯能力，减小变形。保证润滑间 隙，提高工作可靠性。小端孔中压入青 铜衬套。 小大端与杆身连接处采用大圆弧过度， 提高刚性减小应力集中。 杆身断面成工字型，提高在摆动平面内 的抗弯强度。 杆身内钻孔油冷（曲轴钻孔大端小 端）冷却小端轴承和活塞。 车用大端（在中高速机中广泛应用）的 轴瓦为薄壁瓦，分三层：刚背上浇铜铅 合金，再镀薄铅锡合金。 （2）斜切口式连杆（大端做成斜切口） 目的：满足柴油机增压度提高后，能从气 缸中吊出连杆与活塞。 切口平面与连杆轴线夹角切口角为 400 轴线轴径增粗，刚性提高；大端轴承承 压面积增加，提高了轴承工作能力，减 少了连杆螺栓的惯性拉伸负荷。 连杆螺栓受剪切作用，结合面采用锯齿 形结构，防滑动。 连杆只钻一个供油孔，冷却油只上不下 （直接泄回曲轴箱）。 连杆本体和大端轴承盖用铬钼钢锻造制 成。 小端轴承热压入孔中，钢背上浇注铜铅 合金，再镀锡。锡层厚0.002-0.004mm. 大端上下瓦都为薄壁瓦（即在钢背上浇 铜铅合金后，再镀锡铅合金），装配前 不需调整，其上设周向、轴向定位凸舌 。锡铅合金厚0.04-0.05mm. 滑油经曲柄销径向钻孔下瓦的输油槽 、输油孔轴承盖的输油孔杆身中的 油道小端。 （3）主副连杆式连杆：V型机中 连杆形式：并列连杆、叉型连杆、主副连 杆（关节式连杆）。 并列连杆：两连杆完全一样，并列装在 一个曲柄销上，两气缸中心线不在一个 平面上。 叉型连杆：结构复杂，润滑差、应用少 、不介绍。 主副连杆：MAN VV40/45 型，由主连杆 、曲柄销，副连杆、副连杆销组成。 主副连杆的特点： 大端轴瓦为薄壁铅青铜轴瓦，上有薄磨 合层。 在拆检活塞时可以不拆大端轴承，或拆 大端轴承与副连杆销轴承时不拆活塞。 缺点：结构复杂、制造困难，副连杆销 的连杆螺栓底部易发生裂纹。 4）连杆螺栓 二冲程机连杆螺栓只受预紧力作用， 四冲程机受预紧力、惯性力及附加弯曲 应力。 一般选用韧性好、强度高的优质碳钢 或合金钢制造。设计上采用耐疲劳的柔 性结构（增加长度，减小杆部直径）； 采用精加工螺纹；大圆角过度减小应力 集中；螺栓与支撑面垂直，减小附加弯 曲应力。 安装方式分：螺帽连接的/不用螺帽连 接的。 安装时注意：预紧力大小、预紧方法 、预紧次序等严格按说明书要求。 正确的紧固与锁紧是避免发生断裂的 有效措施。 三 曲轴 1、曲轴的工作条件和要求 (1)曲轴的作用 曲轴的主要作用是：把活塞的往复运动通过 连杆变成回转运动；把各缸所做的功汇集起 来输出和带动柴油机的附属设备。 （2）曲轴的工作条件 1）受力复杂 曲轴在工作中承受着各缸交变的 气体力、任复惯性力和离心力，以及它们所产 生的弯矩和扭矩。这些力不仅随着曲柄的转角 变化，还随着负荷变化。曲轴在这些力的作用 产生弯曲和扭转变形，并产生非常复杂的交变 应力。 2）应力集中严重 一根曲轴是由112个彼此间 错开一定角度的曲柄以及功率输出端和自由端 构成。每个曲柄分成主轴颈、曲柄销和曲柄臂 三部分，现代大型低速柴油机曲轴上还直接锻 出推力环。其中以曲柄臂与曲柄销的过渡圆角 处最为危险. 3)附加应力很大 曲轴是一个弹性体它在径向力 、切向力和扭矩的作用下会产生扭转振动、横向 振动和纵向振动。可能出现共振现象，扭振将引 起传动齿轮的噪声和疲劳，横向振动会因曲轴弯 曲过大使轴颈和轴承磨损加剧甚至不能正常工作 。 4)轴颈磨损 特别是在润滑不良、机座或船体变形 、轴承间隙不合适、超负荷运转经常起停发动机 时，轴颈的磨损会明显加剧。长期运行后，主轴 颈磨成椭圆及锥形，曲柄销更严重，四冲程曲柄 销内侧比外侧严重，二冲程相反. (3)对曲轴的要求及材料 曲轴是柴油机中最长最重的部件，直接影响捶台柴 油机的尺寸和重量。曲轴形状复杂，工质量要求 很高，制造工艺难度大，因此是柴油机中造价最 高的部件。 要求： A.疲劳强度高，工作安全可靠； B.有足够刚性，工作时变形小，使轴承负荷均匀： C.有足够的轴颈承压面积，保证较低的轴承比压； D.曲轴的轴颈要有良好的耐磨性能，并允许多次车 削修复；F.曲柄的布置兼顾动力均匀、主轴承负 荷低、平衡性好、扭转振动小、有利于增压系统 布量。 曲轴的常用材料有优质碳钢、合金钢和球 墨铸铁。 一般柴油机的曲轴常用优质碳钢制造 中、高速强载柴袖机的曲轴采用合金钢制 造 球墨铸铁一般用于强化程度不太高的中高 速柴油机上。 2.曲轴的结构 (1)曲轴的类型 分为整体式、组合式和分段式三种类型。 1)整体式曲轴 是整根曲轴一体锻造或铸造出来的。 结构简单、重量轻、工作可靠的优点，在中、高速 柴油机上得到广泛使用，并逐渐扩大到大型低速柴 油机领域 2)组合式曲轴 组合式曲轴普遭应用于大型低速柴油 机中。采用组合式主要是为了制造方便，解决曲轴 制造设备能力的限制问题。曲轴的组合方式可分为 套合式和焊接式，曲轴套合方法除红套外，还有冷 套方法。 3)分段式曲轴 先分成两段制造，然后用法兰连接成 整根曲轴。一般用于气缸数较多的曲轴，如MC系列 柴抽机9-12缸机采用分段式曲轴。 (2)曲轴的构造 曲轴主要由若干个单位曲柄、自由端和飞轮端以及 平衡块组成，如图所示。 单位曲柄是曲轴的基本组成部分，由主轴颈、曲柄 销和曲柄臂组成，为了平衡曲柄不平衡回转质量产 生惯性力，有的还在曲轴上装有平衡重；为了减轻 曲轴的重量和减小惯性力,曲柄销和主轴颈一般都 采用空心结构；轴颈与曲柄臂相连接的过渡圆角处 由于截面急剧，应采用足够大的过渡圆弧. 为了润滑曲柄销轴承以及活塞销，对于筒形活塞式 柴油机其曲轴上钻有润滑油道，把输送到主轴承的 滑油引至曲柄销轴承。由于开油孔时会增加曲轴的 应力集中，因此，对油孔的位置的合理选择，使其 对轴颈的削弱最小。为了减少应力集中，油孔应倒 角、抛光。 图2-33 S-MC-C柴油机曲轴 1-自由端;2-轴向减震器活塞;3-单位曲柄;4- 推力环;5-功率输出端 (3)曲柄的排列 曲轴的曲柄都是以气缸的号数命名的。气缸的排号有 两种方法，一种是由自由端排起，另种是由动力端 排起。我国和大部分国家都是采用自由端排起。 曲柄的排列是由气缸的发火间隔角和发火顺序决定的 ，而气缸的发火间隔角和发火顺序要按照下列原则 决定。 1)柴油机的动力输出要均匀，即发火间隔角要相等。 这样，相邻发火的两个缸的曲柄夹角,二冲程柴油 机为360i，四冲程柴油机为720/i。i为柴油机气 缸数。 2)要避免相邻的两个缸连续发火以减轻相邻两缸之 间的主轴承的负荷。为此，最好在柴油机首、尾两 端轮流发火。 l在MAN B5- 曲柄销;6-油道;7-首端法兰 四、曲柄连杆机构的故障与管理 1十字头滑块和导板 滑块在导板上的运动规律和活塞在气缸中运 动规律完全相同。但由于曲轴箱中温度低、 滑油供应充分分使滑块和导板的工作条件 要比活塞和气缸套好得多，再加上将滑块上 单位面积所受的力（比压)设计得较小； 因此，在一般情况下滑块和导板寿命较长，故 障较少但由于滑块在上、下止点时速度为零 ，而且在上、下止点附近存在侧推力换向和 正、倒车导板更替所产生的敲击，因此也出 现某些故障。出现较多的故障是滑块上白合 金偏磨和疲劳碎裂。 白合金偏磨主要：由于导板或滑块安装不正、主 轴承偏磨、导板与滑块间间隙不合要求、润滑 不良造成， 白合金碎裂：安装、润滑等因素有关外，主要是 由于白台金浇铸不良、超负荷运转及导板滑块 间间隙过大所造成的。 应定期检查导板与滑块间间隙的大小、润滑状态 和工作表面状况。运转中注意倾听曲轴箱中声 响发现异常及时处理。 2.连杆 十字头式柴油机连杆由于主要承受压应力，柴油 机转速低，对连杆的重量和尺寸限制不像筒型 活塞式柴油机连杆那样严格，因此连杆杆身一 般很少出现故障，只是轴承容易产生各种故障 和连杆螺栓有时会断裂。 筒型活塞式柴油机连杆受拉、压交变压力，尺寸 要求严格，转速高，除轴承外连杆杆身还易出 现疲劳裂纹和弯曲。 3曲轴的疲劳损坏 疲劳损坏：机件在交变负荷作用下产生裂纹并逐渐扩展， 随着裂纹的逐渐发展，截面逐渐减小，最后因截面尺寸 不足而发生突然断裂。 疲劳损坏的形式：1.弯曲疲劳损坏，2.扭转疲劳损坏 疲劳损坏判断依据：断面纹理。疲劳损坏的断面可 分为三个区域，即初始裂纹区、渐断纹理区和突 断区。初始裂纹区是断面纹理的发源地。 渐断纹理由于两断裂面间的摩擦形成的。断面纹理 因为引起原因不同有波浪线和螺旋线之分，如图 所示，在这个区域中，有污物存在，颜色暗黑， 突断区断开的截面具有冲击折断的特点，晶粒粗 糙明亮，与暗的平滑纹理断面形成了明显区别 1)弯曲疲劳损坏 弯曲疲劳裂纹首先产生在曲柄销圆角或主轴颈圆角处 ，然后向曲柄臂发展。这是因为对于承受弯曲来说 ，曲柄臂比主轴颈和曲柄销弱。弯曲疲劳的断面是 与轴线垂直的，裂纹线为波浪线，如图所示。曲轴 弯曲疲劳破坏，通常是由于轴颈不均匀磨损所造成 的主轴承不同轴度而引起的。特别是某个主轴承过 低，当柴油机工作时，这段轴就会产生过大的变形 和过大的交变弯曲应力。由于轴承的不均匀磨损要 经过定的运转时间才会发生，因此弯曲疲劳损坏 很少发生在未经长期使用的柴油机上。 2)扭转疲劳损坏 曲轴在驱动力矩作用下产生交变的扭转应力及曲轴 的扭转振动产生的附加扭转应力，会引起曲轴发 生扭转疲劳损坏。轴颈的疲劳裂纹多从油孔开始 ，然后向与轴线成45角的方向发展，所以往往出 现两条对称裂纹。起始于过渡圆角处的扭转疲劳 裂纹，由于轴颈的抗扭截面模数比曲柄臂的弱 因此裂纹多自圆角部位向轴颈发展较少向曲柄 臂上发展。图(b)为扭转疲劳断面示意图，断面是 倾斜的，与轴线成45裂纹线近似为螺旋线。图 共同作用结果 3）两者比较 扭转疲劳损坏一般是出现在柴油机运转初期。但现 在扭振的计算及测量技术比较成熟，只要扭振减 振器不发生故障，不飞车，又不过于疏忽，通常 不会出现扭转疲劳损坏。 弯曲应力复杂，难以精确计算，而且轴承唐损后能 产生很大的附加弯曲应力，曲轴的弯曲疲劳损坏 多于扭转疲劳损坏。 曲轴材料的缺陷：制造曲轴的材料可能有缩孔，气 孔、收缩裂纹、夹渣、偏析等缺陷。当这些缺陷 处在应力集中部位时，危险性就更大了。 柴油机使用中滑油变质使圆角处腐蚀，或由于滑油 中进水及停机后轴颈表面的凝结水(在潮湿空气 中易出现)使轴颈油孔或圆角腐蚀，都有可能使 曲轴发生腐蚀疲劳损坏。 4）管理要点 要注意检查曲轴轴线的状态、轴颈与下瓦 的贴合情况。 在操车时要尽快越过转建禁区，注意对扭 转振动减振器的检查和保养，要注章化 验滑油和利用分油机分离滑油。如发现 疲劳裂纹要查明并消除引起裂纹的原 因，并根据规范)要求对裂纹进行处置 。 4十字头销颈和曲轴轴颈 十字头销颈和曲轴轴颈工作表面应非常光 滑，特别是十字头镐颈要求就更严格。 以上轴颈容易出现的损伤是轴颈变粗糙 、偏磨、变成银白色等。曲轴轴颈最容 易发生的疲劳损坏前面已述。轴颈变粗 糙可能是由于最初制造工艺有缺陷，也 可能是运辖、装配过程中