第二章第3节曲柄连杆机构案例.pptx

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、导板第1页/共73页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力；十字头滑块要承受侧椎力的作用。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。条件更为恶劣。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。第2页/共73页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螺帽固定，另一种利用活塞杆下部凸两种：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力状况，使十字头轴承的工作可靠性大大提高。第3页/共73页第4页/共73页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 第5页/共73页（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带动的套管，而非铰链。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。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：第6页/共73页一路去一路去导板与滑块导板与滑块。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塞杆流出（环行通道）。再从活塞杆流出（环行通道）。一路一路润滑连杆小端轴承后润滑连杆小端轴承后，从连杆内下行，从连杆内下行润滑曲柄销轴承润滑曲柄销轴承。他们均他们均流回曲柄箱流回曲柄箱。第7页/共73页第8页/共73页第9页/共73页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。摆动角速度时大时小，且不断改变方向，使之处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。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。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。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。第10页/共73页提高可靠性措施：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，利于润加大轴颈直径，比压下降刚度提高，利于润滑油膜形成。滑油膜形成。采用全支承轴承。在轴颈全长上都设轴承承采用全支承轴承。在轴颈全长上都设轴承承压面，扩大承压面积。压面，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。反变反变形法。形法。增大轴承面的贴合面积。对于分岔增大轴承面的贴合面积。对于分岔式轴承式轴承第11页/共73页（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）。升压泵（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。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（防刮边缘楔形斜面，且有适当角度和长度（防刮油及油膜厚度）。油及油膜厚度）。合适的轴承间隙。间隙太大油压不易建立；合适的轴承间隙。间隙太大油压不易建立；间隙太小易抱轴。间隙太小易抱轴。第12页/共73页（4 4）采用薄壁轴瓦。在钢背上浇注白合金（高铝锡合金）。如）采用薄壁轴瓦。在钢背上浇注白合金（高铝锡合金）。如LMC/MCELMC/MCE合金合金厚度厚度1.0-1.5mm.1.0-1.5mm.轴瓦加工精度高，不需拂刮，互换性好、拆装方便。轴瓦加工精度高，不需拂刮，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。第13页/共73页二、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）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（往复与曲轴；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。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选材：十字头机多用中碳钢，筒形机采用优质碳钢或合金钢。或合金钢。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。第14页/共73页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、往复惯性力复惯性力FjFj以及其合力以及其合力F F随曲轴转随曲轴转角的变化曲线。从中可以看出：活角的变化曲线。从中可以看出：活塞在上止点（曲轴转角为塞在上止点（曲轴转角为00）附）附近时，由于惯性力的方向和气体力近时，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，使连杆是正值，即力的方向向下，使连杆受压；活塞在下止点受压；活塞在下止点(曲轴转角为曲轴转角为180)180)附近时，因为惯性力具有附近时，因为惯性力具有正值且较大，尽管气体力较小，其正值且较大，尽管气体力较小，其合力仍比较大，使连杆受压。当活合力仍比较大，使连杆受压。当活塞在曲轴转角塞在曲轴转角300300附近时，由于惯附近时，由于惯性力具有负值且大于气体力，使合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。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，惯性力较大，一般合力都是负值，使连杆受到拉伸的作用。使连杆受到拉伸的作用。第15页/共73页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和螺栓组成。薄壁轴瓦提高耐磨性。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、垫片及螺栓由轴承盖、轴承座、垫片及螺栓杆组成。杆组成。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在轴承盖及座上（可增大轴颈，利于散热），在浇铸白合金处开上（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）。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（液压用）；为柔性螺栓（耐疲劳）；用专用工具（液压拉伸器）安装；拉伸器）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）。第16页/共73页图图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 第17页/共73页第18页/共73页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，采用全支撑（称刚性十字头轴承），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。承载能力和可靠性增加。第19页/共73页第20页/共73页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线垂直。）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、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，提高抗弯能力，减小变形。保证润滑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。间隙，提高工作可靠性。小端孔中压入青铜衬套。第21页/共73页 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。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（曲轴钻孔杆身内钻孔油冷（曲轴钻孔大端大端小端）冷却小端轴承和活塞。小端）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，分三层：刚背上浇铜铅合金，再镀薄铅锡合金。铅合金，再镀薄铅锡合金。第22页/共73页第23页/共73页（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，能从气缸中吊出连杆与活塞。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；大端轴承承压面积增加，提高了轴承工作能力，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。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。连杆螺栓受剪切作用，结合面采用锯齿形结构，防滑动。第24页/共73页第25页/共73页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。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0.002-0.002-0.004mm.0.004mm.大端上下瓦都为薄壁瓦大端上下瓦都为薄壁瓦（即在钢背上浇铜铅合金后，再镀锡铅合金），装配（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.0.04-0.05mm.第26页/共73页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、输油孔下瓦的输油槽、输油孔轴承盖的输油孔轴承盖的输油孔杆身中杆身中的油道的油道小端。小端。第27页/共73页（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、主副连杆（关节式连杆）。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。个平面上。叉型连杆：结构复杂，润滑差、应用少、不介绍。叉型连杆：结构复杂，润滑差、应用少、不介绍。主副连杆：主副连杆：MAN VV40/45 MAN VV40/45 型，由主连杆、曲柄销，副连杆、副连杆销组成。型，由主连杆、曲柄销，副连杆、副连杆销组成。第28页/共73页主副连杆的特点：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，上有薄磨合层。，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。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。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。第29页/共73页第30页/共73页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，四冲程机受预紧力、惯性力及附加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。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。小应力集中；螺栓与支撑面垂直，减小附加弯曲应力。第31页/共73页 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。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。正确的紧固与锁紧是避免发生断裂的有效措施。第32页/共73页第33页/共73页第34页/共73页三三 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连杆变成回转运动；把各缸所做的功汇曲轴的主要作用是：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。集起来输出和带动柴油机的附属设备。第35页/共73页第36页/共73页第37页/共73页（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。复杂的交变应力。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个彼此个彼此间错开一定角度的曲柄以及功率输出端和自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的过渡圆角处最为危险.第38页/共73页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弯曲过大使轴颈和轴承磨损加剧甚至不能正常工作。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，二冲程相反柄销内侧比外侧严重，二冲程相反.第39页/共73页(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求很高，制造工艺难度大，因此是柴油机中造价最高的部件。最高的部件。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，并允许多次曲轴的轴颈要有良好的耐磨性能，并允许多次车削修复；车削修复；F.F.曲柄的布置兼顾动力均匀、主轴承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、有利于增压系负荷低、平衡性好、扭转振动小、有利于增压系统布量。统布量。第40页/共73页曲轴的常用材料有优质碳钢、合金钢和球墨铸铁。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。球墨铸铁一般用于强化程度不太高的中高速柴油机上。第41页/共73页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，还有为套合式和焊接式，曲轴套合方法除红套外，还有冷套方法。冷套方法。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，如成整根曲轴。一般用于气缸数较多的曲轴，如MCMC系系列柴抽机列柴抽机9-129-12缸机采用分段式曲轴。缸机采用分段式曲轴。第42页/共73页(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。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了减轻曲轴的重量和减小惯性力,曲柄销和主轴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过渡圆角处由于截面急剧，应采用足够大的过渡圆弧圆弧.为了润滑曲柄销轴承以及活塞销，对于筒形活塞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，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。油孔应倒角、抛光。第43页/共73页图图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 第44页/共73页(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动力端排起。我国和大部分国家都是采用自由端排起。排起。曲柄的排列是由气缸的发火间隔角和发火顺序决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。列原则决定。1)1)柴油机的动力输出要均匀，即发火间隔角要相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等。这样，相邻发火的两个缸的曲柄夹角,二冲二冲程柴油机为程柴油机为360360i i，四冲程柴油机为，四冲程柴油机为720/i720/i。i i为柴油机气缸数。为柴油机气缸数。2)2)要避免相邻的两个缸连续发火以减轻相邻两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、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。尾两端轮流发火。第45页/共73页第46页/共73页在在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性和减少轴系的振动，甚至出现了各缸发火间隔角不相同的柴油机。不相同的柴油机。KHIKHI在生产在生产10L90MC10L90MC机型时，突破了这一传统理论机型时，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的束缚，对相邻发火气缸的曲柄夹角作了不等角的设计设计 KHIKHI认为，这一设计，可以降低主机运行时产生的认为，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，可以改善曲振动，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。根轴的工作条件，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据这一设计，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，主机最大运内无共振转速区。但当单缸不发火时，主机最大运行转速为行转速为74r74rminmin；而当；而当No.9No.9缸不发火时，必须缸不发火时，必须避开避开545463r63rminmin共振转速区；当轴向减震器故共振转速区；当轴向减震器故障时，必须避开障时，必须避开404050r50rminmin共振转速区，且主共振转速区，且主机最大运行转速为机最大运行转速为65r/min65r/min。可以想象，如果离开。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。了计算机的辅助设计，这一设计理念很难得以实现。第47页/共73页第48页/共73页对于对于V V形柴油机普遍采用插入式发火。插人式发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火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相同，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。根据气缸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，每列的发火间缸，每列的发火间隔角都是隔角都是7207204=1804=180，发火顺序都是，发火顺序都是1-2-4-31-2-4-3。为了避免混乱，第为了避免混乱，第1 1列用列用1 1-2-2-4-4-3-3表示，表示，第第2 2列用列用1 1-2-2-4-4-3-3表示表示.气缸夹角为气缸夹角为。如。如果气缸果气缸1 1比比1 1落后落后角发火，其总的发火顺序角发火，其总的发火顺序和曲柄排列如图示。假如气缸和曲柄排列如图示。假如气缸1 1比比1 1落后落后360+360+，也就是，也就是1 1发火后跟随着的是发火后跟随着的是1 1进气进气气缸气缸1 1比比1 1不接连着发火不接连着发火,对轴承负荷有利对轴承负荷有利此种情况总的发火顺序如图所示。此种情况总的发火顺序如图所示。第49页/共73页第50页/共73页3)3)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与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。小。4)4)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况也不同情况也不同,对轴系扭转振动的影响也不同。要力求减轻扭转振动。对轴系扭转振动的影响也不同。要力求减轻扭转振动。5)5)脉冲增压式柴油机中，为了防止排气互相干扰，各缸舶排气管要分组连接。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。第51页/共73页第52页/共73页第53页/共73页(4)(4)典型曲轴介绍典型曲轴介绍 S-MC-C S-MC-C型柴油机曲轴。锻钢曲轴由单位曲柄、自型柴油机曲轴。锻钢曲轴由单位曲柄、自由端由端(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。在曲轴上为半组合式，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，曲柄臂不必因为套合工艺需要而加大尺寸，所就，曲柄臂不必因为套合工艺需要而加大尺寸，所以重量减轻以重量减轻,曲柄臂和主轴颈及曲柄销之间的连接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，处是用车入式圆角过渡，圆角处经过冷滚压加工，以提高它的疲劳强度。自由端法兰以提高它的疲劳强度。自由端法兰1 1用来驱动辅助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设备或轴带发电机。自由端法兰后为轴向减振器的活塞活塞2 2，推力环，推力环4 4的前后两侧都装有推力块的前后两侧都装有推力块(图中末图中末示出示出)以传递螺旋桨的推力和为曲轴轴向定位。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轮，以便通过链条驱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为一体，井将推力动凸轮轴。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，可缩短柴油机长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。度，使布置更为紧凑。第54页/共73页 图图2-342-34为为wartsila46wartsila46型柴油机的曲轴。该曲轴为整体锻造式，并经过全面的型柴油机的曲轴。该曲轴为整体锻造式，并经过全面的机加工，曲轴内钻孔，使滑油可以送至每一个轴承。在每一个曲柄臂上都有机加工，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平衡重4 4，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，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。曲轴柄销之间有很大的重叠度；保证了曲轴有足够的刚度和曲柄臂的强度。曲轴的首尾两端都设有法兰，可以在任何一端连接轴带发电机，如省必要，可以的首尾两端都设有法兰，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扭振减振界。在曲轴首端安装扭振减振界。第55页/共73页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-首端法兰首端法兰第56页/共73页四、曲柄连杆机构的故障与管理四、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动规律完全相同。但由于曲轴箱中温度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（比压将滑块上单位面积所受的力（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，故障较少但由于滑块在上、下止点时速度因此，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，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。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。第57页/共73页白合金偏磨主要：由于导板或滑块安装不正、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、主轴承偏磨、导板与滑块间间隙不合要求、润滑不良造成，润滑不良造成，白合金碎裂：安装、润滑等因素有关外，主要白合金碎裂：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。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。中声响发现异常及时处理。第58页/共73页2.2.连杆连杆十字头式柴油机连杆由于主要承受压应力，柴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。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。易出现疲劳裂纹和弯曲。第59页/共73页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。面尺寸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第60页/共73页疲劳损坏判断依据：断面纹理。疲劳损坏的断面疲劳损坏判断依据：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。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，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第61页/共73页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承的不均匀磨损要经过定的运转时间才会发生，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因此弯曲疲劳损坏很少发生在未经长期使用的柴油机上。油机上。第62页/共73页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发生扭转疲劳损坏。轴颈的疲劳裂纹多从油孔开始，然后