第二章第3节曲柄连杆机构.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、十字头一、十字头(crosshead)(crosshead)组件组件1.1.作用：作用：连接活塞与连杆连接活塞与连杆传递气体力与惯性力传递气体力与惯性力承受侧推力承受侧推力导向导向2.2.结构：见图结构：见图十字头本体、十字头轴承十字头本体、十字头轴承(连杆小端轴承连杆小端轴承)十字头销、十字头滑块、导板十字头销、十字头滑块、导板3.3.十字头组件的工作条件：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，工作条件更为恶动，不易形成良好的润滑，工作条件更为恶劣。劣。4.4.十字头的结构十字头的结构单滑块结构、圆筒形滑块结构和双滑块结构。单滑块结构、圆筒形滑块结构和双滑块结构。5.5.十字头与活塞杆的连接方式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，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，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使十字头轴承的工作可靠性大大提高。123456图图2-24 2-24 十字十字头的构造头的构造1-1-活塞杆；活塞杆；2-2-连杆小端轴连杆小端轴承盖；承盖；3-3-十字头销；十字头销；4-4-滑块；滑块；5-5-连杆小端轴连杆小端轴承座；承座；6-6-连杆杆身连杆杆身 （2 2）L-MC/MCEL-MC/MCE机型机型导板与横隔板制为一体，提高刚度（导板与横隔板制为一体，提高刚度（RTARTA机上使用螺栓机上使用螺栓boltbolt把在一起）。把在一起）。向十字头输送滑油的是十字头销上托架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。带动的套管，而非铰链。活塞杆使用小螺栓把在活塞销上，而非活塞杆使用小螺栓把在活塞销上，而非贯穿孔。贯穿孔。滑块上有导轨，而非小导板。滑块上有导轨，而非小导板。滑油进入十字头后，分三路：滑油进入十字头后，分三路：l一路去一路去导板与滑块导板与滑块。l一路去活塞孔上行一路去活塞孔上行冷却活塞顶冷却活塞顶再从活再从活塞杆流出（环行通道）。塞杆流出（环行通道）。l一路一路润滑连杆小端轴承后润滑连杆小端轴承后，从连杆内，从连杆内下行下行润滑曲柄销轴承润滑曲柄销轴承。l他们均他们均流回曲柄箱流回曲柄箱。3 3）十字头轴承工作分析和提高可靠性措施）十字头轴承工作分析和提高可靠性措施工作特点：工作特点：轴承比压大，力大，尺寸受限。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，使之处于时大时小，且不断改变方向，使之处于边界润滑状态。边界润滑状态。单向受力。二冲程机十字头销始终压在单向受力。二冲程机十字头销始终压在轴承下瓦上。轴承下瓦上。受力不均。部件变形、局部受力严重，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。一般内侧受力较大，易发生故障。提高可靠性措施：提高可靠性措施：（1 1）降低轴承比压）降低轴承比压限制限制p pz z.加大轴颈直径，比压下降刚度提高，利于润滑加大轴颈直径，比压下降刚度提高，利于润滑油膜形成。油膜形成。采用全支承轴承。在轴颈全长上都设轴承承压采用全支承轴承。在轴颈全长上都设轴承承压面，扩大承压面积。面，扩大承压面积。（2 2）使轴承负荷分布均匀）使轴承负荷分布均匀采用弹性结构。采用弹性结构。采用刚性结构。采用刚性结构。反变形反变形法。法。增大轴承面的贴合面积。对于分岔式增大轴承面的贴合面积。对于分岔式轴承轴承（3 3）保证良好的润滑和冷却）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）。压泵（对薄壁铝锡合金轴瓦）。RTARTA十字头轴承滑油压力十字头轴承滑油压力1.01.01.2Mp1.2Mpa.a.合理开设布油槽和输油槽。槽太多，承压面削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。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（防刮油及缘楔形斜面，且有适当角度和长度（防刮油及油膜厚度）。油膜厚度）。合适的轴承间隙。间隙太大油压不易建立；间合适的轴承间隙。间隙太大油压不易建立；间隙太小易抱轴。隙太小易抱轴。（4 4）采用薄壁轴瓦。在钢背上浇注白合金）采用薄壁轴瓦。在钢背上浇注白合金（高铝锡合金）。如（高铝锡合金）。如LMC/MCELMC/MCE合金厚度合金厚度1.0-1.5mm.1.0-1.5mm.轴瓦加工精度高，不需拂刮，轴瓦加工精度高，不需拂刮，互换性好、拆装方便。互换性好、拆装方便。（5 5）提高十字头销颈表面光滑程度。）提高十字头销颈表面光滑程度。二、连杆二、连杆connecting rodconnecting rod1.1.连杆的工作条件和要求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（往复轴；转变运动（往复回转）。回转）。受力：气体力（具有冲击性）；惯性力；与受力：气体力（具有冲击性）；惯性力；与piston piston pin/crosshead pin/crank pinpin/crosshead pin/crank pin产生摩擦。产生摩擦。要求：要求：耐疲劳、抗冲击，具有足够刚度和强度；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。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选材：十字头机多用中碳钢，筒形机采用优质碳钢或合金钢。金钢。二冲程机中，连杆始终受压（大小方向周期变化）；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。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为一台二冲程柴油机的气体力FgFg、往复往复惯性力惯性力FjFj以及其合力以及其合力F F随曲轴转角的随曲轴转角的变化曲线。从中可以看出变化曲线。从中可以看出：活塞在上活塞在上止点（曲轴转角为止点（曲轴转角为00）附近时，由）附近时，由于惯性力的方向和气体力方向相反，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；活塞在下的方向向下，使连杆受压；活塞在下止点止点(曲轴转角为曲轴转角为180)180)附近时，因附近时，因为惯性力具有正值且较大，尽管气体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，使连杆受力较小，其合力仍比较大，使连杆受压。当活塞在曲轴转角压。当活塞在曲轴转角300300附近时，附近时，由于惯性力具有负值且大于气体力，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，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，附近，由于气体力较小而惯性力较大，一般合力都是负值，使连杆受到拉伸一般合力都是负值，使连杆受到拉伸的作用。的作用。图图2-27 RTA-T-B2-27 RTA-T-B型柴油机连杆的型柴油机连杆的构造构造1 1、6-6-连杆螺栓螺连杆螺栓螺母母;2 2、7-7-连杆螺栓连杆螺栓;3-3-小端轴承盖小端轴承盖;4 4、8-8-薄壁轴瓦；薄壁轴瓦；5-5-连杆杆身连杆杆身;9-9-大端轴承盖大端轴承盖 2.连杆的构造连杆的构造2.2.连杆的构造连杆的构造1 1）十字头式连杆（）十字头式连杆（RTARTA型）型）小端小端：十字头端。由轴承盖、轴承座、：十字头端。由轴承盖、轴承座、薄壁轴瓦薄壁轴瓦和螺栓和螺栓组成。薄壁轴瓦提高耐磨性。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（称杆身：由锻钢制造。杆身与大端剖分（称船用大端船用大端），），剖分面上装有压缩比调整垫片。剖分面上装有压缩比调整垫片。大端大端:曲柄销轴承曲柄销轴承.由轴承盖、轴承座、垫片及螺栓杆组由轴承盖、轴承座、垫片及螺栓杆组成。成。没有轴瓦没有轴瓦，白合金直接浇铸白合金直接浇铸在轴承盖及座上（可在轴承盖及座上（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）。（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）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）；为柔性螺栓（耐疲劳）；用专用工具（液压拉伸器）安装；安装；外螺纹用外罩保护（安装工具并防松）。外螺纹用外罩保护（安装工具并防松）。L-MC/MCEL-MC/MCE型型特点：特点：杆身与大小端合为一体。杆身与大小端合为一体。杆身与大端不分开，称杆身与大端不分开，称车用大端车用大端。连杆小端刚性大，十字头销端短而粗，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），承采用全支撑（称刚性十字头轴承），承载能力和可靠性增加。载能力和可靠性增加。2 2）筒形活塞式连杆）筒形活塞式连杆（1 1）平切口式连杆：大端剖分面与连杆轴）平切口式连杆：大端剖分面与连杆轴线垂直。线垂直。由杆身、大端轴承盖、小端轴承衬套、由杆身、大端轴承盖、小端轴承衬套、大端轴瓦大端轴瓦、连杆螺栓组成。、连杆螺栓组成。小端一般与杆身锻在一起。顶部加厚，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。小端孔中压入青隙，提高工作可靠性。小端孔中压入青铜衬套。铜衬套。小大端与杆身连接处采用大圆弧过度，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。提高刚性减小应力集中。杆身断面成工字型，提高在摆动平面内杆身断面成工字型，提高在摆动平面内的抗弯强度。的抗弯强度。杆身内钻孔油冷（曲轴钻孔杆身内钻孔油冷（曲轴钻孔大端大端小小端）冷却小端轴承和活塞。端）冷却小端轴承和活塞。车用大端车用大端（在中高速机中广泛应用）的（在中高速机中广泛应用）的轴瓦为薄壁瓦轴瓦为薄壁瓦，分三层：刚背上浇铜铅，分三层：刚背上浇铜铅合金，再镀薄铅锡合金合金，再镀薄铅锡合金。（2 2）斜切口式连杆（大端做成斜切口）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。缸中吊出连杆与活塞。切口平面与连杆轴线夹角切口平面与连杆轴线夹角切口角为切口角为40400 0轴线轴径增粗，刚性提高；大端轴承承轴线轴径增粗，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。少了连杆螺栓的惯性拉伸负荷。连杆螺栓受剪切作用，结合面采用锯齿连杆螺栓受剪切作用，结合面采用锯齿形结构，防滑动。形结构，防滑动。连杆只钻一个供油孔，冷却油只上不下连杆只钻一个供油孔，冷却油只上不下（直接泄回曲轴箱）。（直接泄回曲轴箱）。连杆本体和大端轴承盖用铬钼钢锻造制连杆本体和大端轴承盖用铬钼钢锻造制成。成。小端轴承热压入孔中，钢背上浇注铜铅小端轴承热压入孔中，钢背上浇注铜铅合金，再镀锡。锡层厚合金，再镀锡。锡层厚0.002-0.004mm.0.002-0.004mm.大端上下瓦都为薄壁瓦大端上下瓦都为薄壁瓦（即在钢背上浇（即在钢背上浇铜铅合金后，再镀锡铅合金），装配前铜铅合金后，再镀锡铅合金），装配前不需调整，其上设周向、轴向定位凸舌。不需调整，其上设周向、轴向定位凸舌。锡铅合金厚锡铅合金厚0.04-0.05mm.0.04-0.05mm.滑油经曲柄销径向钻孔滑油经曲柄销径向钻孔下瓦的输油槽、下瓦的输油槽、输油孔输油孔轴承盖的输油孔轴承盖的输油孔杆身中的油杆身中的油道道小端。小端。（3 3）主副连杆式连杆：）主副连杆式连杆：V V型机中型机中连杆形式：并列连杆、叉型连杆、主副连连杆形式：并列连杆、叉型连杆、主副连杆（关节式连杆）。杆（关节式连杆）。并列连杆：两连杆完全一样，并列装在并列连杆：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一个曲柄销上，两气缸中心线不在一个平面上。平面上。叉型连杆：结构复杂，润滑差、应用少、叉型连杆：结构复杂，润滑差、应用少、不介绍。不介绍。主副连杆：主副连杆：MAN VV40/45 MAN VV40/45 型，由主连杆、型，由主连杆、曲柄销，副连杆、副连杆销组成。曲柄销，副连杆、副连杆销组成。主副连杆的特点：主副连杆的特点：大端轴瓦为薄壁铅青铜轴瓦大端轴瓦为薄壁铅青铜轴瓦，上有薄磨，上有薄磨合层。合层。在拆检活塞时可以不拆大端轴承，或拆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。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。的连杆螺栓底部易发生裂纹。4 4）连杆螺栓）连杆螺栓 二冲程机连杆螺栓只受预紧力作用，二冲程机连杆螺栓只受预紧力作用，四冲程机受预紧力、惯性力及附加弯曲四冲程机受预紧力、惯性力及附加弯曲应力。应力。一般选用韧性好、强度高的优质碳钢一般选用韧性好、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）；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，减小附加弯集中；螺栓与支撑面垂直，减小附加弯曲应力。曲应力。安装方式分：螺帽连接的安装方式分：螺帽连接的/不用螺帽连不用螺帽连接的。接的。安装时注意：预紧力大小、预紧方法、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。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正确的紧固与锁紧是避免发生断裂的有效措施。有效措施。三三 曲轴曲轴1 1、曲轴的工作条件和要求、曲轴的工作条件和要求(1)(1)曲轴的作用曲轴的作用 曲轴的主要作用是：把活塞的往复运动通过曲轴的主要作用是：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。来输出和带动柴油机的附属设备。（2 2）曲轴的工作条件）曲轴的工作条件1 1）受力复杂）受力复杂 曲轴在工作中承受着各缸交变的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产生弯曲和扭转变形，并产生非常复杂的交变应力。应力。2 2）应力集中严重）应力集中严重 一根曲轴是由一根曲轴是由1 11212个彼此间个彼此间错开一定角度的曲柄以及功率输出端和自由端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出推力环。其中以曲柄臂与曲柄销的过渡圆角处最为危险处最为危险.3)3)附加应力很大附加应力很大 曲轴是一个弹性体它在径向力、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。过大使轴颈和轴承磨损加剧甚至不能正常工作。4)4)轴颈磨损轴颈磨损 特别是在润滑不良、机座或船体变形、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，二冲程相反侧比外侧严重，二冲程相反.(3)(3)对曲轴的要求及材料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很高，制造工艺难度大，因此是柴油机中造价最高的部件。高的部件。要求：要求：A.A.疲劳强度高，工作安全可靠；疲劳强度高，工作安全可靠；B.B.有足够刚性，工作时变形小，使轴承负荷均匀：有足够刚性，工作时变形小，使轴承负荷均匀：C.C.有足够的轴颈承压面积，保证较低的轴承比压；有足够的轴颈承压面积，保证较低的轴承比压；D.D.曲轴的轴颈要有良好的耐磨性能，并允许多次车曲轴的轴颈要有良好的耐磨性能，并允许多次车削修复；削修复；F.F.曲柄的布置兼顾动力均匀、主轴承负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、有利于增压系统荷低、平衡性好、扭转振动小、有利于增压系统布量。布量。曲轴的常用材料有优质碳钢、合金钢和球曲轴的常用材料有优质碳钢、合金钢和球墨铸铁。墨铸铁。一般柴油机的曲轴常用优质碳钢制造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中、高速强载柴袖机的曲轴采用合金钢制造造球墨铸铁一般用于强化程度不太高的中高球墨铸铁一般用于强化程度不太高的中高速柴油机上。速柴油机上。2.2.曲轴的结构曲轴的结构(1)(1)曲轴的类型曲轴的类型分为整体式、组合式和分段式三种类型。分为整体式、组合式和分段式三种类型。1)1)整体式曲轴整体式曲轴 是整根曲轴一体锻造或铸造出来的。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油机领域 2)2)组合式曲轴组合式曲轴 组合式曲轴普遭应用于大型低速柴油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，还有冷套合式和焊接式，曲轴套合方法除红套外，还有冷套方法。套方法。3)3)分段式曲轴分段式曲轴 先分成两段制造，然后用法兰连接成先分成两段制造，然后用法兰连接成整根曲轴。一般用于气缸数较多的曲轴，如整根曲轴。一般用于气缸数较多的曲轴，如MCMC系列系列柴抽机柴抽机9-129-12缸机采用分段式曲轴。缸机采用分段式曲轴。(2)(2)曲轴的构造曲轴的构造 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。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轴的重量和减小惯性力,曲柄销和主轴颈一般都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，油孔应倒对轴颈的削弱最小。为了减少应力集中，油孔应倒角、抛光。角、抛光。图图2-33 S-MC-C2-33 S-MC-C柴油机曲轴柴油机曲轴1-1-自由端自由端;2-;2-轴向减震器活塞轴向减震器活塞;3-;3-单位曲柄单位曲柄;4-;4-推力环推力环;5-;5-功率输出端功率输出端 (3)(3)曲柄的排列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。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，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而气缸的发火间隔角和发火顺序要按照下列原则决定。定。1)1)柴油机的动力输出要均匀，即发火间隔角要相等。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这样，相邻发火的两个缸的曲柄夹角,二冲程柴油二冲程柴油机为机为360360i i，四冲程柴油机为四冲程柴油机为720/i720/i。i i为柴油机气为柴油机气缸数。缸数。2)2)要避免相邻的两个缸连续发火以减轻相邻两缸之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、尾两间的主轴承的负荷。为此，最好在柴油机首、尾两端轮流发火。端轮流发火。l在在MAN B&WMAN B&W公司的公司的MCMC系列柴油机中，为了满足平衡性系列柴油机中，为了满足平衡性和减少轴系的振动，甚至出现了各缸发火间隔角不和减少轴系的振动，甚至出现了各缸发火间隔角不相同的柴油机。相同的柴油机。lKHIKHI在生产在生产10L90MC10L90MC机型时，突破了这一传统理论的机型时，突破了这一传统理论的束缚，对相邻发火气缸的曲柄夹角作了不等角的设束缚，对相邻发火气缸的曲柄夹角作了不等角的设计计 lKHIKHI认为，这一设计，可以降低主机运行时产生的振认为，这一设计，可以降低主机运行时产生的振动，各道主轴承负荷分配趋于合理，可以改善曲轴动，各道主轴承负荷分配趋于合理，可以改善曲轴的工作条件，使主机运行时更加平稳、可靠。根据的工作条件，使主机运行时更加平稳、可靠。根据这一设计，主机在最低稳定转速至额定转速范围内这一设计，主机在最低稳定转速至额定转速范围内无共振转速区。但当单缸不发火时，主机最大运行无共振转速区。但当单缸不发火时，主机最大运行转速为转速为74r74rminmin；而当而当No.9No.9缸不发火时，必须避开缸不发火时，必须避开545463r63rminmin共振转速区；当轴向减震器故障时，共振转速区；当轴向减震器故障时，必须避开必须避开404050r50rminmin共振转速区，且主机最大运共振转速区，且主机最大运行转速为行转速为65r/min65r/min。可以想象，如果离开了计算机的可以想象，如果离开了计算机的辅助设计，这一设计理念很难得以实现。辅助设计，这一设计理念很难得以实现。对于对于V V形柴油机普遍采用插入式发火。插人式发火形柴油机普遍采用插入式发火。插人式发火就是两列的发火顺序及发火间隔角彼此完全相同，就是两列的发火顺序及发火间隔角彼此完全相同，而总的发火顺序则为这两列的发火顺序根据气缸而总的发火顺序则为这两列的发火顺序根据气缸间的夹角关系进行穿插形成。间的夹角关系进行穿插形成。8 8缸缸V V形四冲程柴抽机每列形四冲程柴抽机每列4 4缸，每列的发火间隔缸，每列的发火间隔角都是角都是7207204=1804=180，发火顺序都是，发火顺序都是1-2-4-31-2-4-3。为。为了避免混乱，第了避免混乱，第1 1列用列用1 1-2-2-4-4-3-3表示，第表示，第2 2列列用用1 1-2-2-4-4-3-3表示表示.气缸夹角为气缸夹角为。如果气缸如果气缸1 1比比1 1落后落后角发火，其总的发火顺序和曲柄排角发火，其总的发火顺序和曲柄排列如图示。假如气缸列如图示。假如气缸1 1比比1 1落后落后360+360+，也就也就是是1 1发火后跟随着的是发火后跟随着的是1 1进气气缸进气气缸1 1比比1 1不不接连着发火接连着发火,对轴承负荷有利此种情况总的发对轴承负荷有利此种情况总的发火顺序如图所示。火顺序如图所示。3)3)要使柴油机有良好的平衡性。柴油机在要使柴油机有良好的平衡性。柴油机在往复惯性力与惯性力矩、离心惯性力与往复惯性力与惯性力矩、离心惯性力与离心力作用下要产生振动。曲柄合理排离心力作用下要产生振动。曲柄合理排列可使引起振动的力和力矩减至最小。列可使引起振动的力和力矩减至最小。4)4)注意发火顺序对轴系扭转振动的影响。注意发火顺序对轴系扭转振动的影响。发火顺序不同，各段轴上扭矩的交变情发火顺序不同，各段轴上扭矩的交变情况也不同况也不同,对轴系扭转振动的影响也不同。对轴系扭转振动的影响也不同。要力求减轻扭转振动。要力求减轻扭转振动。5)5)脉冲增压式柴油机中，为了防止排气互脉冲增压式柴油机中，为了防止排气互相干扰，各缸舶排气管要分组连接。相干扰，各缸舶排气管要分组连接。(4)(4)典型曲轴介绍典型曲轴介绍 S-MC-CS-MC-C型柴油机曲轴。锻钢曲轴由单位曲柄、自由端型柴油机曲轴。锻钢曲轴由单位曲柄、自由端(首端首端)和功率输出端和功率输出端(尾端尾端)三部分组成。曲轴为半组三部分组成。曲轴为半组合式，可以是焊接型或半套合式。在曲轴上采用焊接合式，可以是焊接型或半套合式。在曲轴上采用焊接工艺连接是现代曲轴制造中的一个重要成就，曲柄臂工艺连接是现代曲轴制造中的一个重要成就，曲柄臂不必因为套合工艺需要而加大尺寸，所以重量减轻不必因为套合工艺需要而加大尺寸，所以重量减轻,曲柄臂和主轴颈及曲柄销之间的连接处是用车入式圆曲柄臂和主轴颈及曲柄销之间的连接处是用车入式圆角过渡，圆角处经过冷滚压加工，以提高它的疲劳强角过渡，圆角处经过冷滚压加工，以提高它的疲劳强度。自由端法兰度。自由端法兰1 1用来驱动辅助设备或轴带发电机。用来驱动辅助设备或轴带发电机。自由端法兰后为轴向减振器的活塞自由端法兰后为轴向减振器的活塞2 2，推力环，推力环4 4的前后的前后两侧都装有推力块两侧都装有推力块(图中末示出图中末示出)以传递螺旋桨的推以传递螺旋桨的推力和为曲轴轴向定位。推力环的外圈用来安装主动链力和为曲轴轴向定位。推力环的外圈用来安装主动链轮，以便通过链条驱动凸轮轴。这种推力轴和曲轴造轮，以便通过链条驱动凸轮轴。这种推力轴和曲轴造为一体，井将推力抽承和主动盐组合在一起的形式，为一体，井将推力抽承和主动盐组合在一起的形式，可缩短柴油机长度，使布置更为紧凑。可缩短柴油机长度，使布置更为紧凑。图图2-342-34为为wartsila46wartsila46型柴油机的曲轴。该型柴油机的曲轴。该曲轴为整体锻造式，并经过全面的机加曲轴为整体锻造式，并经过全面的机加工，曲轴内钻孔，使滑油可以送至每一工，曲轴内钻孔，使滑油可以送至每一个轴承。在每一个曲柄臂上都有平衡重个轴承。在每一个曲柄臂上都有平衡重4 4，使柴油机不会受到离心力和离心力矩，使柴油机不会受到离心力和离心力矩的作用，曲轴的主轴颈和曲柄销之间有的作用，曲轴的主轴颈和曲柄销之间有很大的重叠度；保证了曲轴有足够的刚很大的重叠度；保证了曲轴有足够的刚度和曲柄臂的强度。曲轴的首尾两端都度和曲柄臂的强度。曲轴的首尾两端都设有法兰，可以在任何一端连接轴带发设有法兰，可以在任何一端连接轴带发电机，如省必要，可以在曲轴首端安装电机，如省必要，可以在曲轴首端安装扭振减振界。扭振减振界。1 12 23 34 45 56 67 7图图2-34 W2-34 Wrtsilrtsil4646柴油机曲轴柴油机曲轴1-1-动力输出法兰；动力输出法兰；2-2-主轴承；主轴承；3-3-传动齿轮；传动齿轮；4-4-平衡重平衡重;5-;5-曲柄销曲柄销;6-;6-油道油道;7-;7-首端法兰首端法兰四、曲柄连杆机构的故障与管理1 1十字头滑块和导板十字头滑块和导板 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、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单位面积所受的力（比压比压)设计得较小；设计得较小；因此，在一般情况下滑块和导板寿命较长，故因此，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，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、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些故障。出现较多的故障是滑块上白合金偏磨和疲劳碎裂磨和疲劳碎裂。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、润滑轴承偏磨、导板与滑块间间隙不合要求、润滑不良造成，不良造成，白合金碎裂：安装、润滑等因素有关外，主要是白合金碎裂：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。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。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。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。现疲劳裂纹和弯曲。3 3曲轴的疲劳损坏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，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。不足而发生突然断裂。疲劳损坏的形式：疲劳损坏的形式：1.1.弯曲疲劳损坏，弯曲疲劳损坏，2.2.扭转疲劳损坏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。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，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糙明亮，与暗的平滑纹理断面形成了明显区别1)1)弯曲疲劳损坏弯曲疲劳损坏 弯曲疲劳裂纹首先产生在曲柄销圆角或主轴颈圆角处，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，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。发生在未经长期使用的柴油机上。2)2)扭转疲劳损坏扭转疲劳损坏 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，生扭转疲劳损坏。轴颈的疲劳裂纹多从油孔开始，然后向与轴线成然后向与轴线成4545角的方向发展，所以往往出现角的方向发展，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此裂纹多自圆角部位向轴颈发展较少向曲柄臂上发展。图上发展。图(b)(b)为扭转疲劳断面示意图，断面是倾为扭转疲劳断面示意图，断面是倾斜的，与轴线成斜的，与轴线成4545裂纹线近似为螺旋线。图裂纹线近似为螺旋线。图共共同作用结果同作用结果3 3）两者比较）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。不会出现扭转疲劳损坏。弯曲应力复杂，难以精确计算，而且轴承唐损后能弯曲应力复杂，难以精确计算，而且轴承唐损后能产