大功率柴油機(jī)曲軸止推超差原因分析

高博，龐龍俊，屈君，胡明翔，侯家豪

(1.海軍駐咸陽(yáng)地區(qū)軍事代表室，陜西 興平 713105；陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西 興平 713105)

0 前言

曲軸是柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，柴油機(jī)工作過(guò)程中活塞連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)輸出做功。曲軸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)熱膨脹產(chǎn)生軸向位移，如果軸向間隙過(guò)小，會(huì)增加曲軸運(yùn)動(dòng)的阻力，引起曲軸卡滯、磨損等質(zhì)量事故；如果軸向間隙過(guò)大，會(huì)增加曲軸的軸向竄動(dòng)，引起活塞連桿異常受力，可能發(fā)生活塞與氣缸偏磨、活塞環(huán)斷裂等質(zhì)量事故[1]。

曲軸止推結(jié)構(gòu)一般有止推片式、滾動(dòng)軸承式，以及止推片式和滾動(dòng)軸承式的組合式[2]。某大功率柴油機(jī)曲軸止推結(jié)構(gòu)為滾動(dòng)軸承式，裝配于柴油機(jī)的輸出端，與機(jī)體、曲軸、曲軸凸緣襯套、定心環(huán)、輸出端罩殼等裝配后形成止推間隙。通過(guò)控制零部件尺寸及其形位誤差，控制裝配過(guò)程，以保證曲軸止推間隙。

1 故障現(xiàn)象

該柴油機(jī)為20缸V型大功率柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1 455 r/min。曲軸止推方式采用向心推力球軸承結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)要求曲軸止推間隙為0.3～0.9 mm。實(shí)際靜態(tài)裝配狀態(tài)下曲軸止推間隙為0.78 mm。柴油機(jī)完成臺(tái)架試驗(yàn)后，復(fù)測(cè)曲軸止推間隙為1.05 mm，曲軸止推間隙發(fā)生異常變化，且超出了設(shè)計(jì)要求。其他零件拆檢結(jié)果均正常，無(wú)異常磨損，相關(guān)零件尺寸合格，且柴油機(jī)運(yùn)行期間各參數(shù)未見(jiàn)明顯異常。

2 曲軸止推結(jié)構(gòu)分析

2.1 曲軸止推結(jié)構(gòu)

該柴油機(jī)的曲軸止推結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出：軸承的內(nèi)圈分a和b兩半式。裝配步驟為：首先，在曲軸上安裝定心環(huán)，將凸緣襯套加熱至80 ℃左右，熱套至曲軸上，與曲軸的凸緣端面接觸；其次，將軸承的內(nèi)圈b加熱至80 ℃左右，熱套至凸緣襯套內(nèi)側(cè)上，安裝軸承外圈；再次，將軸承內(nèi)圈a加熱至80 ℃左右，熱套至凸緣襯套外側(cè)，安裝帶槽圓螺母與軸承內(nèi)圈a的端面接觸，并固定鎖緊；最后，將輸出端罩殼用螺栓、墊圈與機(jī)身連接，定心環(huán)與輸出端罩殼用螺栓、墊圈連接。帶槽圓螺母和凸緣襯套限制軸承內(nèi)圈的軸向運(yùn)動(dòng)，定心環(huán)和輸出端罩殼限制軸承外圈的軸向運(yùn)動(dòng)。

圖1 曲軸止推裝配圖

2.2 曲軸止推間隙

曲軸止推間隙由軸承外圈安裝間隙、軸承內(nèi)圈安裝間隙和軸承本體間隙組成，如圖2所示，具體計(jì)算公式為：

圖2 裝配尺寸鏈

C=C1+Cab+Co

(1)

C1=H1-h1

式中：C為曲軸止推間隙，單位mm；C1為軸承外圈安裝間隙，單位mm；H1為輸出端罩殼與軸承軸向配合間隙，單位mm；h1為軸承外圈寬度，單位mm；Cab為軸承內(nèi)圈安裝間隙，單位mm；Co為軸承本體間隙(間隙相對(duì)較小，可以忽略)，單位mm。

3 故障原因分析和排查

該曲軸止推結(jié)構(gòu)可靠性很高，但柴油機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上僅僅運(yùn)行約40 h，曲軸止推間隙卻出現(xiàn)異常變化。根據(jù)曲軸止推裝配圖、輸出端罩殼圖紙、止推軸承的工藝安裝方法等進(jìn)行全面分析，初步確認(rèn)曲軸止推間隙在試驗(yàn)前后發(fā)生變化，且超出設(shè)計(jì)規(guī)定上限的原因可能為：① 輸出端罩殼與定心環(huán)連接螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致輸出端罩殼與軸承軸向配合間隙變大；② 輸出端罩殼止推面尺寸加工超差，即定心環(huán)安裝面與軸承外圈配合面尺寸加工超差；③ 輸出端罩殼與軸承外圈配合面的根部存在毛刺；④ 定心環(huán)的固定銷(xiāo)未安裝到底；⑤ 固定軸承內(nèi)圈的帶槽圓螺母松動(dòng)；⑥ 在安裝軸承內(nèi)圈a推入凸緣襯套時(shí)，軸承內(nèi)圈a安裝歪斜，沒(méi)有裝正。

拆檢前，檢查輸出端罩殼固定螺栓發(fā)現(xiàn)力矩正常，無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。

拆下輸出端罩殼，目視檢查軸承、定心環(huán)等均無(wú)異常；軸向晃動(dòng)軸承時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸承在軸向運(yùn)動(dòng)的間隙手感明顯。

檢查輸出端罩殼內(nèi)部發(fā)現(xiàn)其清潔度良好，無(wú)可見(jiàn)異物；輸出端罩殼內(nèi)部各加工面干凈無(wú)毛刺，輸出端罩殼與軸承外圈配合面的根部無(wú)毛刺。測(cè)量輸出端罩殼止推面加工尺寸，圓周方向多點(diǎn)測(cè)量結(jié)果為51.30 mm，軸承厚度為51 mm，軸承外圈裝配間隙為0.30 mm，均滿(mǎn)足圖紙和裝配要求。

帶槽圓螺母擰緊在曲軸上，帶槽圓螺母端面固定軸承內(nèi)圈a，螺母邊緣開(kāi)有槽口，在槽口上有緊固螺栓，螺栓緊固后，使帶圓槽螺母螺紋變形而達(dá)到鎖緊防松的目的，防止其受曲軸軸向力而退出。檢查鎖緊螺栓的止動(dòng)墊片態(tài)良好，無(wú)變形情況。帶槽圓螺母上的螺栓及帶槽圓螺母按照裝配時(shí)的力矩校驗(yàn)，均無(wú)松動(dòng)情況。

檢查軸承狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)軸承在軸向方向有明顯的運(yùn)動(dòng)，初步判定軸承內(nèi)圈a和內(nèi)圈b之間間隙過(guò)大。軸承的兩半式內(nèi)圈過(guò)盈配合在凸緣襯套上，被帶槽圓螺母軸向固定。在正常情況下，軸承在內(nèi)圈之間軸向應(yīng)無(wú)運(yùn)動(dòng)量或運(yùn)動(dòng)量微弱。拆下帶槽圓螺母，圓周方向均勻測(cè)量軸承內(nèi)圈a到曲軸端面的距離，并記錄。重新對(duì)軸承內(nèi)圈a在圓周方向端面均勻施加軸向推力(約50 000 N)，在圓周方向均勻測(cè)量軸承內(nèi)圈a到曲軸端面距離，并記錄。記錄結(jié)果表明軸承內(nèi)圈a向自由端推入0.50 mm，檢查軸承在軸向方向已無(wú)明顯的軸向運(yùn)動(dòng)。試裝輸出端罩殼，用百分表測(cè)量曲軸軸向間隙為0.51 mm。

前期安裝軸承內(nèi)圈a時(shí)安裝歪斜，中心未對(duì)正，即軸承內(nèi)圈a中心線相對(duì)曲軸軸線存在一定角度。因?yàn)檫^(guò)盈配合，加熱后配合間隙較小，如果沒(méi)有裝正，易導(dǎo)致卡滯而無(wú)法裝配到位。裝配完初期檢查曲軸止推間隙滿(mǎn)足工藝要求，但在后期柴油機(jī)運(yùn)行中，曲軸的軸向負(fù)荷使軸承內(nèi)圈a慢慢回正，并向輸出端方向運(yùn)動(dòng)靠緊帶槽圓螺母。此時(shí)推力軸承內(nèi)圈a和內(nèi)圈b之間的間隙變大，復(fù)測(cè)曲軸止推間隙變大，且超出止推上限值。

L=D×α×(T1-T0)

(2)

式中：L為膨脹量，單位mm；D為材料外徑，單位mm；α為材料線脹系數(shù)；T1為加熱后溫度，單位℃；T0為環(huán)境溫度，單位℃。凸緣襯套的材料線脹系數(shù)α取11.2×10-6，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，軸承內(nèi)圈回正后止推間隙增加0.249～0.826 mm。實(shí)際測(cè)量的止推間隙由0.78 mm增加至1.05 mm，增加0.27 mm，在理論計(jì)算值范圍內(nèi)。

綜上所述，基本可以鎖定曲軸止推間隙異常變大的主要原因?yàn)檩S承內(nèi)圈a安裝歪斜，中心未對(duì)正，曲軸運(yùn)動(dòng)的軸向負(fù)荷作用在內(nèi)圈a后，使其與軸承內(nèi)圈b之間產(chǎn)生了更大的距離，最終導(dǎo)致曲軸止推間隙變大,超出設(shè)計(jì)規(guī)定的上限值。

另外，統(tǒng)計(jì)了近幾年該型柴油機(jī)的曲軸止推間隙，得到平均值為0.41 mm，最大值為0.56 mm。該柴油機(jī)靜態(tài)裝配時(shí)曲軸止推間隙為0.78 mm，與正常裝配相比，曲軸止推間隙雖然在規(guī)定范圍內(nèi)，但已靠近上限。

4 結(jié)語(yǔ)

向心推力球軸承的軸承內(nèi)圈a安裝歪斜，中心未對(duì)正，即軸承內(nèi)圈a中心線相對(duì)曲軸軸線存在一定角度，導(dǎo)致裝配后曲軸止推間隙超出規(guī)定值上限。同時(shí)，軸承內(nèi)圈a在非正常狀態(tài)下承受作用力，使曲軸止推軸承間隙發(fā)生了異常變化。

為了保證曲軸止推安裝正確，止推間隙合理，需要控制裝配過(guò)程，增加裝配過(guò)程檢驗(yàn)工序，檢查項(xiàng)目如下：① 裝配定位銷(xiāo)和軸承內(nèi)圈b后，使用0.05 mm塞尺檢查定位銷(xiāo)的四角與定心環(huán)接觸面，以及軸承內(nèi)圈b與凸緣襯套接觸面，確保接觸面四周均不通過(guò)；② 裝配向心推力球軸承內(nèi)圈a后，使用百分表檢查其端面跳動(dòng)量，確保跳動(dòng)量不高于0.10 mm；③ 測(cè)量并記錄輸出端罩殼止推面加工尺寸；④ 將曲軸止推間隙目標(biāo)值控制在0.6 mm以?xún)?nèi)。