柴油机曲轴常见损伤及修理

赵东辉

(青岛北海船舶重工有限责任公司，山东 青岛 266520)

0 前言

柴油机在工作时，曲轴轴颈表面承受很大的单位压力及很高的滑动摩擦速度，轴颈散热效果较差，各轴颈表面极易遭受磨料磨损。因此，柴油机在大修时必须对曲轴进行检查，然后选择正确的修理方法，以保证曲轴所要求的疲劳强度和耐磨性。

曲轴的修理是一项很复杂的工艺过程，其修理工程所需费用也较大，但由于曲轴的造价昂贵(约占整台柴油机造价的20% ～30%)，制造周期长，故在可能的条件下，对损伤的曲轴尽可能进行修理。

在多年的轮机修理工作中，接触到许多曲轴修理项目，既有中、小型曲轴，也有大型曲轴;既有常见的如轴颈磨损、拉伤的修理，也有像红套滑移这样难度很大的修理。修理曲轴最普遍的工艺原则是尺寸分级修理 (一般直径减少0.25mm为一级)。即将主轴颈、曲柄销颈按修级磨小，使主轴颈的圆柱度及对曲轴中心线的同轴度加工到符合要求的范围。然后配上加厚瓦，有时由于不能配加厚瓦或要避免由于修理次数增多而造成轴颈逐步减少，也采用电镀、喷焊、无刻蚀镀铁等方法进行恢复原尺寸修理。

1 曲轴的技术要求

1.1 曲轴的表面状况

曲轴加工表面不允许有裂纹、麻点、凹陷、毛刺及碰伤等缺陷。非加工表面不允许有氧化皮、分层、裂纹、过烧等缺陷。曲轴轴颈及红套孔的加工表面应经磁粉探伤，磁粉探伤后均应作退磁处理。整体式曲轴轴颈的圆角、油孔及距圆角、油孔5mm以内不允许有发纹。其余部分允许有与轴线夹角小于30°的纵向发纹存在，同一轴颈上总数不多于3条同一截面上不多于2条，其长度应符合表1的规定，超过规定的部分允许修除，但须征得有关部门的同意。

表1 曲轴轴颈与发纹长度对照表 mm

1.2 曲轴主要精度及形位公差

1)主轴颈与曲柄销的精度，低速机按h7级，高速机按h6级。

2)主轴颈对曲轴轴心线的径向跳动符合CB/T 3542－1994的规定。

3)主轴颈与曲柄销的圆度与圆柱度符合CB/T 3542－1994的规定。

4)曲柄销外圆工作母线与主轴颈轴心线的平行度，在0°、90°、180°、270°4个位置测量，每100mm不大于0.015mm。

5)曲轴主要表面的粗糙度主轴颈及曲柄销，低速机不大于Ra3.2，中、高速机不大于Ra1.6，油孔孔口及轴颈过渡圆角不大于Ra1.6。

2 曲轴结构、材料和热处理要求

曲轴结构形式:①整体式曲轴，整体锻造而成，中、高速柴油机多用此形式;②半组合式，中、大型柴油机多用此形式;③组合式，消除大件制造困难，大型机多用此形式。

曲轴材料:大、中型柴油机曲轴常采用35#、40#、45#等钢及40Cr、35CrMo等合金钢，曲轴锻件应经正火处理，粗加工后须经退火或调质处理，调质后的硬度碳钢一般为HB207～269、合金钢为HB241～352。同时，为了进一步提高曲轴的疲劳强度和轴颈的耐磨性，在曲轴制造中还常采取一些特殊的强化方法，对曲轴表面进行强化处理。如:圆角滚压强化、曲轴整体氮化或软氮化和主轴颈的高频淬火。

3 曲轴常见损伤与修理

3.1 轴颈的圆度与圆柱度超差的形成与修理

1)轴颈的磨损。曲轴修理时最常见的现象是主轴颈与曲柄销颈的不规则磨损而形成的圆度、圆柱度偏差。该损伤形成的原因很多，对4冲程机来说，轴柄销颈内侧的磨损量常比外侧多，其原因是在工作时，活塞工作行程所产生的压力仅占一个循环总平衡力的20%左右，此压力由连杆传至曲轴时，使曲柄销外侧磨损，而在其他3个行程中，由于连杆大端所产生的惯性离心力约为总平衡力的70%左右，它迫使连杆有与曲轴脱离的倾向，并经常压向曲柄销的内侧，曲柄销颈磨损的70%左右是由于不等速运动部件的惯性离心力引起磨擦所造成的。对主轴颈来说，由于作用力与反作用力的恒等原理，故主轴颈的磨损也是靠曲柄销磨损多的一侧较大。

曲柄销颈磨损一般比主轴颈严重，主要原因有:①由于作用在曲柄销颈全长上的压力不均匀，而压力不均匀是由于活塞连杆安装不正确所致;②由于连杆或曲轴产生弯曲;③由于磨损大的部位集中于一端，加剧了曲轴的偏磨。

2)轴颈圆度、圆柱度超差时，应及时修正，一般采用车床光车，如果条件允许，最好采用曲轴磨床进行磨削到要求尺寸。但修理较大的曲柄销颈时，由于设备条件限制，一般都采用硬模手工修复。

3.2 轴颈表面的擦伤与腐蚀

1)轴颈表面的擦伤表现在轴颈表面上擦出条痕、划痕、凹痕和拉毛等，产生原因为:①润滑油过滤不清，含有较多杂质;②曲轴和轴瓦安装时清洁不彻底;③润滑油量不足或断油时，轴承烧熔，使轴颈擦伤、烧伤等。

2)轴颈表面的腐蚀表现在轴颈表面上的锈蚀和点触，主要原因是:①润滑油中有水分;②润滑油油质不佳，含酸性物质过多;③硫氧化物和其他燃烧生成物窜入曲轴箱，腐蚀了轴颈。

3)轴颈表面擦伤与腐蚀的修理。轴颈表面有较浅的伤痕用油石磨削，然后抛光处理，较深伤痕用油光锉锉削，然后油石磨削，最后抛光处理。

3.3 主轴颈跳动量超差的修理

主轴颈跳动量反映各主轴颈的同轴度情况，产生超差的原因:①曲轴制造误差;②曲轴运转时的不均匀磨损，使主轴颈轴线在不同方向上偏离原曲轴轴心线;③曲轴产生的永久变形。

曲柄销与主轴颈轴线平行度超差产生的主要原因是:①曲轴加工或套合时的误差;②曲轴运转时主轴颈和曲柄销的不均匀磨损;③曲柄销两端主轴承高低相差较大;④轴颈咬合和曲柄夹角扭曲等。

1)主轴颈跳动量超差的修理。

中小型曲轴主轴颈跳动量的修理都是结合其圆度和圆柱度的情况，在车床上或磨床上同时进行。如跳动量由于曲轴严重弯曲引起，则应将曲轴校直后再进行机械加工。

营运中的大型低速柴油机曲轴即使主轴颈存在较大的跳动量，一般不作修理，因进行这样的修理工程很大，经济上不合算。由于这种曲轴刚性差，即使存在一些跳动量，一般也不会对曲轴正常运转产生大的影响。

大型曲轴在新造时，由于红套误差，会使主轴颈跳动量较大，一般不采用手工修正而用机械加工方法修正。

2)裂纹和发纹的修理。

曲轴的裂纹是由于长期受弯曲和扭转的复合应力所引起的疲劳造成的，产生裂纹的原因很复杂，主要有:①材料本身缺陷，材料中存在夹渣、缩孔、气孔、微小裂纹等。②制造工艺的缺陷，轴颈过渡圆角半径不够大;油孔边缘圆角小，这些地方的加工粗糙度低等。③维护管理不当，轴瓦间隙过大，曲轴中心线不正，没能及时调整等。

在曲轴的裂纹中，危及曲轴使用寿命的主要是在轴颈圆角处、曲臂上和油孔附近。在轴颈表面上平行于其轴线的裂纹一般是不影响其使用寿命的。

曲轴上危及使用的裂纹，原则上应报废、较轻者或进行工艺条件保证下给予焊补。如果裂纹长度和深度不大，在强度校核允许的范围内，可将裂纹凿修，凿修处清理干净，齿槽边缘修成圆滑过渡，并用油石磨光后继续使用。

3)弯曲和扭曲的修理。

(1)曲轴弯曲和扭曲产生的原因:①各主轴承同轴性遭破坏，机座安装不良，船体、机座变形等;②曲轴安装与修理工艺不当;③柴油机运行事故致使连杆螺栓断裂，活塞卡住等。

(2)弯曲的修理:当曲轴的弯曲度较小时，一般采用机加工主轴颈的方法解决;弯曲较大时，为了减化主轴颈的加工工艺，可先用机械校直法、加热校直法、加热—机械校直法进行校直。

(3)扭曲的处理。扭曲主要发生在整体式曲轴上，会使曲柄夹角发生变化，超过10°应予以报废。小于10°则不必修理，可适当改变柴油机的配气定时和降低功率继续使用。

4)曲轴套合处滑移的修复。

套合处滑移是指主轴颈与曲柄臂间相对位置发生滑动，产生滑移时，柴油机不能正常工作。滑移产生的原因:①设计或工艺上过盈量过大或过小;②材料选用不当，屈服极限太低，易产生塑性变形，表面粗糙度不够，套合时不清洁等;③柴油机事故致使柴油机超负荷、飞车、运行时咬缸等。

5)滑移的修理。

一般可采用在红套接合面处装销钉、温差法、局部更换法等方法进行修理。

(1)在红套接合面处装止动销法。在红套接合面处装止动销，可以防止继续滑移，然后通过调整定时的方法，使柴油机正常运转。在装配止动销时，要注意以下问题:①必须用两个止动销，并且在圆周方向相隔90°夹角;②止动销的长度应大于曲柄臂厚度的一半;③止动销上沿轴向应开一条小槽，以便排出孔内气体;④止动销与止动销孔应为过盈配合，可将销钉在液氮中冷却后装入孔内，或用千斤顶压入。这种办法工艺虽然简单，但不是长效措施，因为打了止动销孔，就会引起应力集中，造成裂纹，所以，只能作为临时性措施，而且，这种修理方法只能适合修理滑移角度小于7°的曲轴。

(2)温差法。温差法的原理为加热曲柄臂或冷却主轴颈，将主轴颈红套接合面松开，迫使曲柄臂回到原来位置。因为当曲柄臂和主轴颈的温度差达到一定数值时，可以减少它们之间的结合力。温差法是修理曲轴红套处滑移的较好办法，但温差法的适用范围受到限制。如果加热曲柄臂温度过高或主轴颈温度降得过低，都会对材料的性能产生影响。对发生滑移的主轴颈是中空的曲轴，可以采取曲柄臂加温和主轴颈降温同时进行的办法，这样效果最好。

(3)局部更换法。要使红套处恢复到设计要求，可更换一段主轴颈，即局部更换法。局部更换法是仿造曲轴制造的方法进行修理，主要技术要求参考设计制造要求。对修理质量来说，采用局部更换的方法是最好的方法，但局部更换法的修理工程量也是最大的。

4 曲轴修理的几点建议

1)曲轴修理技术复杂，涉及面广，工程量大，如果曲轴能够出舱是最可靠的修理方法，但这样需解体柴油机，把曲轴吊拉出舱，拆除相关通道障碍，工程量大。因此，为达到省时、省力、效果好，在条件允许的情况下，尽量采用专用设备就地加工。

2)对曲轴主轴颈、曲柄销颈的圆度、圆柱度超差修理占有相当大的比例，约占60%～70%。在恢复原尺寸修理中，常采用电镀、喷焊和无刻蚀镀铁3种方法。电镀镀层不能太厚，时间长，镀液不符合环保要求，但其镀层牢固可靠;喷焊是过去常用的修复方法，由于喷焊参数不易控制，温度高、变形大，尽可能不采用;无刻蚀镀铁，成本低，周期短、镀层牢固，质量稳定，是优先考虑的方法。

3)曲轴检测。在平台上和机床上均可进行，但在车床上曲轴测量工具、仪表安装方便，尤其在平行度的检测中，尽可能在符合条件的机床上进行。

4)曲轴在起吊、运输中，由于形状不规则、刚性差，最好装箱吊运。实际证明因夹板没合理研装，吊运后曲轴常出现严重变形。

5)曲轴各部位测量是修理的基础工作，数据的可靠性决定修理效果，由于曲轴测量数据多、难度大，修者必须“不厌其繁”，准确无遗漏的测量出各种数据，制作多种表格，方便进行填写数据统计及分析。

曲轴修理是一项很复杂的工程，先进完善的修理工艺，不仅可以恢复曲轴的使用性能，减轻工人的劳动强度，而且能够节省曲轴换新、甚至柴油机换新的费用，在船舶修理中具有重大意义。

［1］CB/T 3544－1994，船舶柴油机曲轴修理技术要求［S］.

［2］陈大荣.船舶内燃机设计 ［M］.国防工业出版社，1992.

［3］刘正林.简明内燃机维修手册 ［M］.机械工业出版社，2001.

［4］李奉香.柴油机连杆部件变形和曲轴红套处滑移的修理工艺 ［J］.中国修船，2008(1).