大功率柴油机曲轴止推超差原因分析

高博，庞龙俊，屈君，胡明翔，侯家豪

(1.海军驻咸阳地区军事代表室，陕西 兴平 713105；陕西柴油机重工有限公司，陕西 兴平 713105)

0 前言

曲轴是柴油机的关键零部件之一，柴油机工作过程中活塞连杆往复运动，以推动曲轴旋转输出做功。曲轴在高速转动时会发热膨胀产生轴向位移，如果轴向间隙过小，会增加曲轴运动的阻力，引起曲轴卡滞、磨损等质量事故；如果轴向间隙过大，会增加曲轴的轴向窜动，引起活塞连杆异常受力，可能发生活塞与气缸偏磨、活塞环断裂等质量事故[1]。

曲轴止推结构一般有止推片式、滚动轴承式，以及止推片式和滚动轴承式的组合式[2]。某大功率柴油机曲轴止推结构为滚动轴承式，装配于柴油机的输出端，与机体、曲轴、曲轴凸缘衬套、定心环、输出端罩壳等装配后形成止推间隙。通过控制零部件尺寸及其形位误差，控制装配过程，以保证曲轴止推间隙。

1 故障现象

该柴油机为20缸V型大功率柴油机，额定转速为1 455 r/min。曲轴止推方式采用向心推力球轴承结构，设计要求曲轴止推间隙为0.3～0.9 mm。实际静态装配状态下曲轴止推间隙为0.78 mm。柴油机完成台架试验后，复测曲轴止推间隙为1.05 mm，曲轴止推间隙发生异常变化，且超出了设计要求。其他零件拆检结果均正常，无异常磨损，相关零件尺寸合格，且柴油机运行期间各参数未见明显异常。

2 曲轴止推结构分析

2.1 曲轴止推结构

该柴油机的曲轴止推结构如图1所示。由图1可以看出：轴承的内圈分a和b两半式。装配步骤为：首先，在曲轴上安装定心环，将凸缘衬套加热至80 ℃左右，热套至曲轴上，与曲轴的凸缘端面接触；其次，将轴承的内圈b加热至80 ℃左右，热套至凸缘衬套内侧上，安装轴承外圈；再次，将轴承内圈a加热至80 ℃左右，热套至凸缘衬套外侧，安装带槽圆螺母与轴承内圈a的端面接触，并固定锁紧；最后，将输出端罩壳用螺栓、垫圈与机身连接，定心环与输出端罩壳用螺栓、垫圈连接。带槽圆螺母和凸缘衬套限制轴承内圈的轴向运动，定心环和输出端罩壳限制轴承外圈的轴向运动。

图1 曲轴止推装配图

2.2 曲轴止推间隙

曲轴止推间隙由轴承外圈安装间隙、轴承内圈安装间隙和轴承本体间隙组成，如图2所示，具体计算公式为：

图2 装配尺寸链

C=C1+Cab+Co

(1)

C1=H1-h1

式中：C为曲轴止推间隙，单位mm；C1为轴承外圈安装间隙，单位mm；H1为输出端罩壳与轴承轴向配合间隙，单位mm；h1为轴承外圈宽度，单位mm；Cab为轴承内圈安装间隙，单位mm；Co为轴承本体间隙(间隙相对较小，可以忽略)，单位mm。

3 故障原因分析和排查

该曲轴止推结构可靠性很高，但柴油机在试验台架上仅仅运行约40 h，曲轴止推间隙却出现异常变化。根据曲轴止推装配图、输出端罩壳图纸、止推轴承的工艺安装方法等进行全面分析，初步确认曲轴止推间隙在试验前后发生变化，且超出设计规定上限的原因可能为：① 输出端罩壳与定心环连接螺栓松动，导致输出端罩壳与轴承轴向配合间隙变大；② 输出端罩壳止推面尺寸加工超差，即定心环安装面与轴承外圈配合面尺寸加工超差；③ 输出端罩壳与轴承外圈配合面的根部存在毛刺；④ 定心环的固定销未安装到底；⑤ 固定轴承内圈的带槽圆螺母松动；⑥ 在安装轴承内圈a推入凸缘衬套时，轴承内圈a安装歪斜，没有装正。

拆检前，检查输出端罩壳固定螺栓发现力矩正常，无松动现象。

拆下输出端罩壳，目视检查轴承、定心环等均无异常；轴向晃动轴承时，发现轴承在轴向运动的间隙手感明显。

检查输出端罩壳内部发现其清洁度良好，无可见异物；输出端罩壳内部各加工面干净无毛刺，输出端罩壳与轴承外圈配合面的根部无毛刺。测量输出端罩壳止推面加工尺寸，圆周方向多点测量结果为51.30 mm，轴承厚度为51 mm，轴承外圈装配间隙为0.30 mm，均满足图纸和装配要求。

带槽圆螺母拧紧在曲轴上，带槽圆螺母端面固定轴承内圈a，螺母边缘开有槽口，在槽口上有紧固螺栓，螺栓紧固后，使带圆槽螺母螺纹变形而达到锁紧防松的目的，防止其受曲轴轴向力而退出。检查锁紧螺栓的止动垫片态良好，无变形情况。带槽圆螺母上的螺栓及带槽圆螺母按照装配时的力矩校验，均无松动情况。

检查轴承状态，发现轴承在轴向方向有明显的运动，初步判定轴承内圈a和内圈b之间间隙过大。轴承的两半式内圈过盈配合在凸缘衬套上，被带槽圆螺母轴向固定。在正常情况下，轴承在内圈之间轴向应无运动量或运动量微弱。拆下带槽圆螺母，圆周方向均匀测量轴承内圈a到曲轴端面的距离，并记录。重新对轴承内圈a在圆周方向端面均匀施加轴向推力(约50 000 N)，在圆周方向均匀测量轴承内圈a到曲轴端面距离，并记录。记录结果表明轴承内圈a向自由端推入0.50 mm，检查轴承在轴向方向已无明显的轴向运动。试装输出端罩壳，用百分表测量曲轴轴向间隙为0.51 mm。

前期安装轴承内圈a时安装歪斜，中心未对正，即轴承内圈a中心线相对曲轴轴线存在一定角度。因为过盈配合，加热后配合间隙较小，如果没有装正，易导致卡滞而无法装配到位。装配完初期检查曲轴止推间隙满足工艺要求，但在后期柴油机运行中，曲轴的轴向负荷使轴承内圈a慢慢回正，并向输出端方向运动靠紧带槽圆螺母。此时推力轴承内圈a和内圈b之间的间隙变大，复测曲轴止推间隙变大，且超出止推上限值。

L=D×α×(T1-T0)

(2)

式中：L为膨胀量，单位mm；D为材料外径，单位mm；α为材料线胀系数；T1为加热后温度，单位℃；T0为环境温度，单位℃。凸缘衬套的材料线胀系数α取11.2×10-6，经过理论计算，轴承内圈回正后止推间隙增加0.249～0.826 mm。实际测量的止推间隙由0.78 mm增加至1.05 mm，增加0.27 mm，在理论计算值范围内。

综上所述，基本可以锁定曲轴止推间隙异常变大的主要原因为轴承内圈a安装歪斜，中心未对正，曲轴运动的轴向负荷作用在内圈a后，使其与轴承内圈b之间产生了更大的距离，最终导致曲轴止推间隙变大,超出设计规定的上限值。

另外，统计了近几年该型柴油机的曲轴止推间隙，得到平均值为0.41 mm，最大值为0.56 mm。该柴油机静态装配时曲轴止推间隙为0.78 mm，与正常装配相比，曲轴止推间隙虽然在规定范围内，但已靠近上限。

4 结语

向心推力球轴承的轴承内圈a安装歪斜，中心未对正，即轴承内圈a中心线相对曲轴轴线存在一定角度，导致装配后曲轴止推间隙超出规定值上限。同时，轴承内圈a在非正常状态下承受作用力，使曲轴止推轴承间隙发生了异常变化。

为了保证曲轴止推安装正确，止推间隙合理，需要控制装配过程，增加装配过程检验工序，检查项目如下：① 装配定位销和轴承内圈b后，使用0.05 mm塞尺检查定位销的四角与定心环接触面，以及轴承内圈b与凸缘衬套接触面，确保接触面四周均不通过；② 装配向心推力球轴承内圈a后，使用百分表检查其端面跳动量，确保跳动量不高于0.10 mm；③ 测量并记录输出端罩壳止推面加工尺寸；④ 将曲轴止推间隙目标值控制在0.6 mm以内。