柴油机曲轴臂距差与变形的关系

柴油机曲轴臂距差与变形的关系

轴是发动机的一个承受复杂的重要部件。这一轴的特点是结构复杂，刚性差，易变形。曲轴的技术状态直接影响柴油机的正常运转及船舶的安全航行,加强曲轴的维护保养与检查,保持曲轴的良好技术状态,对柴油机的正常运行、延长使用寿命以及保障船舶安全具有重要的作用。但是,在渔业船舶柴油机安装、修理、管理中,由于对柴油机曲轴臂距差的检查不够重视,导致多起因曲轴臂距差超标而在曲轴臂与曲柄销过渡圆角处发生断裂的事故。表1是臂距差超限引起曲轴断裂的实例。因多种因素使曲轴臂距差超过要求而造成曲轴断裂,必须引起警惕。为将曲轴变形控制在允许范围内,在柴油机安装、修理、管理中的具体做法是,以所测臂距差值来分析判断各主轴承的高低,从而通过调整主轴承高低来控制曲轴的变形。1主轴承下瓦磨损情况曲轴座落在主轴承上,要求各道主轴承的中心在一条直线上,以保证曲轴轴线呈直线状态,运转安全可靠和耐久。但是,柴油机曲轴刚性较差,安装时各主轴承高低不可能完全一致,工作中的柴油机曲轴不停地转动,必然使各道主轴承下瓦有不同程度的磨损,导致曲轴产生变形、轴线弯曲,产生附加弯曲应力,如图1所示。柴油机曲轴座落在主轴承上,未经拆卸无法直接测量主轴承下瓦的磨损情况(或主轴承的高低)。由于主轴承下瓦的高低与曲轴轴线状态有着密切的关系,可通过测量曲轴变形即通过测量曲柄销在上下死点和左右位置时的两臂间距的变化(称为臂距差),来了解曲轴轴线的状态,那么各道主轴承下瓦的高低也就清楚了,如表2所示。从表2可见,如果曲柄销位于上死点或水平左侧(左舷)位置时的臂距L上(左),大于它在下死点或水平右侧(右舷)位置时的臂距L下(右),则认为此臂距差Δ为正值(+),表明该段曲轴轴线朝下弯曲或朝右舷弯曲;在相反情况下,则臂距差为负值(-),表明该段曲轴轴线朝上弯曲或朝左舷弯曲。曲轴臂距差越大,表明曲轴弹性弯曲越大,曲轴运转时,在曲柄臂与曲柄销连接的过渡圆角处所受的交变应力也越大,使该处易产生疲劳裂纹,以至发生曲轴断裂事故,而且也加快各主轴承的磨损。因此,应重视柴油机曲轴臂距差的变化,采取监测措施,防止断轴事故,保障船舶安全。2测量和注意事项2.1轴系的维修测量曲轴臂距差是检验柴油机曲轴状态的重要项目。在柴油机安装、修理和运转期间要进行多次测量,归纳起来有以下几种情况需要测量曲轴臂距差。(1)柴油机在新船安装过程中臂距差的测量。①柴油机在船上安装过程中机座安装时;②飞轮安装前后;③活塞运动部件安装前后;④主机与轴系连接前后。(2)柴油机在修理过程中臂距差的测量。①在修理前;②曲轴与轴系脱开后;③拆去飞轮后;④拆去活塞运动部件后;⑤贯穿螺栓、底脚螺栓松开后;⑥修理后安装过程中的各种情况。(3)系泊、试航试验后。(4)换新主轴瓦或拂刮主轴瓦后应立即测量曲轴臂距差,以检查曲轴轴线状态。(5)主轴承固定螺栓、贯穿螺栓和地脚螺栓等重新预紧后应测量曲轴臂距差。(6)船舶发生搁浅、碰撞等海损事故后,应立即测量曲轴臂距差,以检查船体是否变形造成机座变形。(7)船体刚性差的船舶,在每次装载后对臂距差进行测量,以检查曲轴状态是否因装载配载不当产生船体变形而受影响。(8)在了解营运船舶曲轴各道主轴承磨损情况时,或根据柴油机说明书规定的间隔期需要进行测量时。(9)根据实际(如对船体基座焊接加固或修换机座垫块等等)要求进行臂距差测量。2.2根据调查因素的分析,一般可做为了提高测量精度,减少外界的影响,便于各种情况下臂距差的变化比照和曲轴臂距差影响因素的分析,每次测量臂距差时要求做到以下事项。(1)船舶装载变化不大,吃水大致相同;(2)应避免在烈日曝晒船舶一侧的情况下进行测量,夜间、清晨或阴天时测量为好;(3)测量时应停止敲击、振动等作业;(4)测量时应记录机舱的温度及柴油机的冷热状态。3测量臂距差的选定、定义和试验3.1曲柄臂距差的测量通常规定测量点设在距曲柄销中心线为(S+D)/2处(式中S为活塞冲程,D为曲轴主轴颈直径),如图2所示。一般在曲轴制造时就在各曲柄臂内侧中心对称线上(S+D)/2打上印记,定为测量点的位置。对测量点不在上述规定位置所测量的臂距差,应换算成相当于规定位置的测量值,便于与臂距差标准比较。可按下式计算:ΔA=ΔBOAOBΔA=ΔBΟAΟB式中OAΟA——规定测量点A到曲柄销中心点O的距离;OBΟB——任意测量点B到曲柄销中心O的距离。3.2不同而异的密封为保证柴油机安全运转,根据经验与理论推算,对新造、修理、营运柴油机曲轴臂距差值规定了安装、修理、使用极限标准。臂距差标准随机型、结构及计算方法等因素的不同而异,主要依据有:(1)各种柴油机说明书均规定该机曲轴臂距差标准;(2)交通部、农业部的《船用柴油机修理技术标准》规定了对曲轴臂距差的要求;(3)我国交通部船检局公布的《海上营运船舶检验规程》和农业部渔船检验局公布的《营运钢质海洋渔船检验规程》中规定了曲轴在与轴系连接后冷态臂距差标准,主要要求如表3。(4)国外的验船机构订有曲轴臂距差标准。3.3臂距差的调整对柴油机曲轴各拐的臂距差测量后,可绘制出臂距差曲线和曲轴状态图,如图3所示。该曲线反映出曲轴轴线的弹性弯曲状态,反映出柴油机安装的变形情况。如果臂距差值大于上述有关臂距差标准规定,或超过图4所示臂距差所允许的范围(Ⅰ线左方表示安装良好;Ⅱ线左方表示安装合格;Ⅲ线左方表示船舶航行中的许可范围,并建议要求重新安装;Ⅲ线右方表示不合格,必须调整),就应根据曲轴状态图对曲轴主轴承的位置予以调整。新安装柴油机时,检验者应注意按表4顺序审查或复核测量的曲轴臂距差(对于S>200mm的柴油机)。4中小型重机械船座和船之间的影响因素曲轴臂距差受各种因素影响,甚至同时受多种因素的综合影响,当测量臂距差超过主机说明书、规程和标准要求时,应根据船舶技术状态进行全面分析,找出原因予以调整。(1)主轴承下瓦不均匀磨损。由于柴油机各缸的供油和功率存在不均衡,各道主轴承受力情况和安装间隙也存在差异,使得各道主轴承的磨损不均匀,致使各道主轴承下瓦的高度不等,引起曲轴变形和各曲柄臂距差发生变化。(2)主轴承下瓦与瓦座、主轴颈与下瓦的接触情况差异,而影响臂距差。下瓦安装时应对其与主轴承座的接触贴合情况进行检查,应接触贴合良好,避免下瓦底部或瓦口两侧与瓦座存在间隙;曲轴主轴颈表面与下瓦工作面全长应均匀接触,要求在接触角为45°～60°范围内,每25mm×25mm面积上至少有3个沾点(用色油检查)。(3)机座变形或下沉。由于船体变形、机座地脚螺栓松动、贯穿螺栓松动或上紧程度不均衡、不适等原因致使机座变形;由于主机机座与底座之间的垫块接触不良、松动,柴油机运转工作期间使其产生长期错动,致使垫块磨损变薄和机座下沉,从而使曲轴产生变形及臂距差发生变化。决不许用改变地脚螺栓或贯穿螺栓的预紧力来调整臂距差。(4)活塞运动装置。在新装或修理调整曲轴或在曲轴运转良好情形下,活塞装置安装后,其重力作用使曲轴轴线朝下弧线弯曲变化,臂距差朝正值方向变化。须注意,由于各主轴承受力不均,各主轴颈与主轴承下瓦贴合不尽相近等多种影响因素存在,致使活塞装置安装后臂距差的变化并不完全按前述规律变化。(5)飞轮。飞轮安装后,使曲轴尾端轴线呈上弧线弯曲,臂距差朝负值方向变化,其影响从尾端向首端逐渐减小,飞轮质量对中小型柴油机(渔船常用)曲轴臂距差的影响较为显著。在安放曲轴时,将其尾端轴线呈适当下弧弯曲,以抵消飞轮安装后引起的上弧线弯曲变化,从而使曲轴轴线趋向平直状态,使曲轴尾端臂距差合乎要求。(6)爆发压力。柴油机工作时强大的工作燃烧压力气体通过活塞连杆作用在曲轴上,使曲轴轴线朝下弧线弯曲变化,臂距差朝正值方向变化,且当曲柄销位于上、下死点位置时影响最大。(7)轴系连接误差。轴系连接误差(曲折、偏移)的大小直接影响曲轴轴线的状态和尾端曲柄臂距差的变化。连接后,须保证曲轴尾端曲柄臂距差符合柴油机说明书或规程和标准要求。当轴系的轴线高于曲轴轴线和连接法兰呈下开口时,法兰连接后使尾端曲柄臂距差向正值方向变化,反之,向负值方向变化。(8)船舶装载。由于装载或配载情况不同,引起船体产生不同的变形,从而引起曲轴臂距差发生变化。要配载合理、均匀,不可将货物、重物集中于船体的两头,以免引起船体变形过大,使臂距差超过有关规定。这对船体刚性较差、船龄较大(随着船龄的增加,船体的刚性会逐