柴油机曲轴连续性供油方式研究与设计

摘  要：以6300柴油机为研究对象，计算并分析曲轴润滑油供应的不连续性，研究可能导致曲柄销轴瓦润滑油间断时刻，以及当越过供油死角压力突降而造成油孔周围的穴蚀。设计一种连续供应曲轴润滑油的装置，确保柴油机在任何曲柄转角下都能充足供油。

关键词：供油连续性;穴蚀;供油方式;设计新装置

0 引 言

现有柴油机滑动式曲轴主轴承和曲柄销轴承均依靠主轴承上盖通道供油，由于油孔相对时位置所占曲柄转角很小，供油呈大小变化状态。特别是当楔形油膜压力等于或超过供油压力时，实际供油即已停止，供油连续性不能保证。另外，在柴油机启动初期或低转速状态，由于曲轴重力作用，主轴承下瓦完全处于缺油状态，造成轴径和轴承严重的摩擦磨损，影响设备的安全使用寿命。而主轴承下瓦就是供油和润滑最差的部位。

因此，寻找一种合理的轴承润滑供油方式，以确保主轴承下瓦在任何时候都能得到充分供油润滑，是柴油机技术发展的一项课题。

1 分析曲轴的供油状态（以6300柴油机为例）

1.1 6300曲轴结构参数

6300柴油机曲轴总长2 900 mm，主轴颈Φ195 mm，单元主轴长度2-6道110 mm，第一道长130 mm，第七道长128 mm。曲柄销Φ195 mm，单元长度120 mm。曲柄臂厚85 mm，宽400 mm。

主轴颈油孔直径10 mm。

1.2 6300曲轴供油状态

从曲轴上方的油孔供油，一部分在主轴瓦两侧泄流回曲轴箱，一部分沿曲轴内部通道进入曲柄销轴瓦处，最后也在两侧泄流回曲轴箱，如图1所示。

油孔在位置1时，油孔相对供油顺畅。

在位置2时供油压力等于楔形油膜产生的压力，供油停止。

位置2-3一段转角，均无供油。

3-1供油又开始逐渐加大，如图2所示。

按照主轴颈195mm，油孔直径10mm，计算油孔所占的曲柄转角为：θ/2=arc sin10/195=2.9693°， θ=6°，如图3所示。

因此，曲轴供油量成为断续供油状态。全额供油仅为36°曲柄转角，其余均处于油量下降、停止或上升状态中，如图4所示，为曲柄供油量状态。

1.3 6300轴承供油分析

主轴承上盖与主轴颈油孔相對位置曲柄转角很小，其余角度供油不充分或不能供油。

在柴油机启动或低速运行时，由于曲轴本身重力作用，主轴承下瓦处于干摩擦状态。

由于油量供应不足或间断，主轴承及下瓦摩擦磨损严重。长期将严重损害使柴油机使用的安全性和可靠性。

2 曲轴连续供油方式的设计

2.1 自由端连续供油设计

从自由端曲轴轴心供油，油孔总是处于全开状态。同时在主轴颈和曲柄销颈上上下对侧开孔，可实现上下同时供油，如图5所示。

自由端开口能有效解决连续性曲轴供油问题，避免因油孔错位时通道流量下降或停止的缺陷。曲轴无论转到什么角度位置，即便曲轴供油孔转到正下位，供油孔均处于开启位置。方案中已经改设成上下对穿油孔，理论上可形成上下同时供油。

2.2 下瓦中间开槽设计

一般柴油机上瓦开槽，而下瓦不开槽，如图6所示。新型设计下瓦中间也同样开槽。

为了在较低静压头下，下瓦能在转动时产生楔形油膜，油槽必须开的较浅。在启动或低速运转时仍有充分的润滑布油，必须进行花槽设计，如图7所示。下瓦开槽相当于在柴油机停车、启动或慢速转动时，下瓦中间始终保留一定量的润滑油，任何时候都不会干摩擦。由宽向外渐窄由深向外渐浅的花槽开设，为下瓦的均衡布油提供了帮助，使主轴颈和轴承处于油膜润滑状态。

3 需要解决的其他问题

3.1 曲轴油道改造

曲轴中的供油呈串联形态，油压因管道阻力，从自由端到负载端会逐渐降低。考虑油压问题，滑油泵供油压力必须相应提高，曲轴油道从自由端开始需呈渐缩型，如图8所示，以保证供油末端的油压。

3.2 动静油管连接

滑油泵供油管称为静管，曲轴滑油通道称为动管，二者之间连接而又保证极少的泄漏量问题，需要特殊的机械轴封加以解决。

3.3 下瓦油槽开设

开花槽后下瓦的强度需得到保证。

轴承所受承压应由气体力、惯性力及离心惯性力组成。

①气体力：气体力与柴油机的工作过程和负荷有关，气体力有周期交变规律。根据p-v或p-ψ示功图可知，因此

D为气缸直径，Pg为气缸中的气体压力。

②往复惯性力：集中在活塞中心处的往复运动质量mj在作不等速往复运动时产生往复惯性力Fj为

X为活塞位移

用活塞加速度公式代入，得

R为曲轴半径，λ为连杆比，ω为曲柄角速度，α为曲轴转角

③离心惯性力：集中在曲柄销中心线处的不平衡回转质量mg在作匀速回转运动时产生的离心惯性力FR，可表示为

以上三者共同作用是轴承所受总力，有

由材料冲击韧性公式，可知

Ak 轴承所受的冲击能，αk材料的冲击韧度

对于某种材料来说，其冲击韧度是一定的，因此轴承截面S的大小只取决于冲击载荷的大小。一般柴油机轴承承压部分只占120°至150°角，取120°轴承面积减去图10阴影部分累计总和，就是轴承实际承压面积。

只要实际承压面积大于理论计算结果，轴承就是安全可靠的。

4 结 论

为了防止曲轴油孔转向下侧时暂时断油，在油孔畅流瞬间因压力降低而形成空泡腐蚀，保证曲轴在任何工作状态均能连续不断地供油，采用自由端连续供油方式的设计，且把曲轴油道开设成渐缩型。

同时为了曲轴油孔向下侧时油道的相对畅通和合理布油，在下瓦上开设油道，并且呈花槽形态，能有效改善背压造成的供油压力波动。

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作者简介：

朱永强，副教授，高级实验师，专业带头人，从事轮机工程技术专业教学与科研，（E-mail）zyqiang@zjvtit.edu.cn，13675897839