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发动机曲轴的失效及修复

作者：天津金百联机电              发表时间：2012-01-24

摘要：分析了发动机曲轴损伤形式、损伤部位及特点，简述了曲轴技术状况的检查方法，给出了修理尺寸法、堆焊、电弧喷涂、电刷镀和手工电弧焊修复损伤程度不同的发动机曲轴的修复工艺。 关键词：曲轴；失效；修理尺寸法；堆焊；电弧喷涂；刷镀；焊接 发动机在工作时，曲轴轴颈表面在承受很大的单位压力的同时且具有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，发动机在大修时必须对曲轴进行检验，查明情况，并选择正确的修理或修复方法，以保证曲轴所要求的疲劳强度和耐磨性。1、曲轴的损伤形式及检查 曲轴常见损伤形式有轴颈磨损、裂纹、烧伤、弯曲或断裂等。1.1 轴颈的磨损及检查 轴颈表面的磨损是不均匀的，磨损后的轴颈出现圆度和圆柱度误差。主轴颈与连杆轴颈的最大磨损部位相互对应，即各主轴颈的最大磨损靠近连杆轴颈一侧，而连杆轴颈的最大磨损也靠近主轴颈一侧，如图1。另外，轴颈还有沿轴向的锥形磨损。轴颈的椭圆形磨损是由于作用于轴颈上的力沿圆周方向分布不均匀引起的。发动机工作时，连杆轴颈所受的综合作用力始终作用在连杆轴颈的内侧，方向沿曲柄半径向外，造成连杆轴颈内侧磨损最大，形成椭圆形。连杆轴颈产生锥形磨损的原因是由于通向连杆轴颈的油道是倾斜的，当曲轴回转时，在离心力的作用下，润滑油中的机械杂质聚集在连杆轴颈的一侧，使该侧轴颈磨损加快，导致磨损呈锥形。此外，连杆弯曲、气缸中心线与曲轴中心线不垂直等原因都会使轴颈沿轴向受力不均而使磨损偏斜。主轴颈的磨损主要是由于受到连杆、连杆轴颈及曲柄臂离心力的影响，使靠近连杆轴颈的一侧与轴承产生的相对磨损较大。[img]http://img.hc360.com/mt/info/images/200710/2007101001.gif[/img]图1 曲轴轴颈磨损曲轴轴颈的磨损可用外径千分尺测量，在每个轴颈上取两个截面（Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ），在每个截面上取和曲轴平行及其垂直的两个方向（A-A和B-B），如图2曲轴轴颈的检查（略）。然后计算轴颈的磨损量、圆度和圆柱度误差[1-2]。1.2 曲轴的弯曲及扭曲 当曲轴的弯曲度超过0.1mm（有的为0.2mm）时，应进行校正。测量时将曲轴主轴颈放置在检验平板上两个等高V型铁上。将千分表的表盘定在“0”位置并将其触头触及中间主轴颈表面，缓慢转动曲轴，千分表最大示值的一半即为曲轴的弯曲度。扭曲检查时，曲轴的放置与弯曲检查相同。检查时，将曲柄臂置于水平位置，用千分表测量同一平面内第一缸和最后一缸的连杆轴颈高度，其差值即为曲轴的扭曲度。1.3 裂纹检查 由于应力集中在轴颈圆角部位和油孔周围易产生裂纹，裂纹的存在会导致曲轴的断裂。因此，要用探伤仪（如磁粉探伤仪、超声波探伤仪等）来检测是否存在裂纹。若有环形裂纹或裂纹长度超过20mm的纵向裂纹，应用凿子或气割枪吹掉[3]，经电弧焊补后再采取相应的措施。此外，轴颈表面还可能出现擦伤与烧伤。擦伤主要是由于机油不清洁引起的。烧伤是由于润滑不足、机油过稀或油路阻塞等原因造成烧瓦引起的。2、曲轴轴颈修复工艺 一般来说，轴颈直径在80mm以下圆度及圆柱度误差超过0.025mm，或直径在80mm以上圆度及圆柱度误差超过0.040mm的曲轴，均应按规定尺寸（修理尺寸）进行修磨。当轴颈磨损严重，采用修理尺寸法不能达到修理效果时，应采用涂层技术修复后再磨削至规定的尺寸或修理尺寸。 2.1修理尺寸法 修理尺寸法是修复配合副零件磨损的一种常用方法，他是将待修配合副中的一个零件利用机械加工的方法使其恢复正确形状并获得新的修理尺寸，然后选配具有相应尺寸的另一个零件与之相配，恢复配合性质的一种修理方法。对于磨损量不大的曲轴，可采用磨削的方法使其达到修理尺寸[3]。对具有弯曲变形的曲轴，在磨削前，必须先进行校正。曲轴的磨削通常在曲轴磨床上进行的。曲轴的磨削除了轴颈表面尺寸精度和表面粗糙度符合技术要求外，还必须达到形位公差的要求：磨削曲轴时必须保证主轴颈和连杆轴颈各轴心线的同轴度以及两轴心线间的平行度，限制曲柄半径误差并保证连杆轴颈相互位置夹角的精度。对于连杆轴颈可采用偏心磨削法和同心磨削法。同心磨削法就是磨削后保持连杆轴颈的轴线位置不变，即曲柄半径和分配角不变。柴油机曲轴磨削时常采用同心法。偏心磨削法是按磨损后的连杆轴颈表面来定位磨削的。这时轴颈的中心线位置和曲柄半径均发生了变化，一般磨削后曲柄半径大于原曲柄半径，使压缩比增大，而且各缸变化不均匀，同时使整个曲轴的质量中心不处于曲轴主轴颈中心线上，引起曲轴不平衡，造成转动时的附加动载荷。因此，在连杆轴颈磨削时，应尽量减少曲柄半径的增加量，保证同位连杆轴颈轴心线的同轴度误差不大于±0.10mm，以保证曲轴运转中的平衡。2.2振动堆焊修复 堆焊是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊合金层的一种工艺方法。当曲轴轴颈磨损超限，不能按最后一级修理尺寸磨削修理时，可采用振动堆焊的方法增补磨损表面后再磨削。堆焊修复曲轴前，对待修复曲轴轴颈表面进行清洗、检查、磨削和预热等准备工作，可极大地提高修复质量。 （1） 清洗 用煤油、汽油或碱液煮洗，然后用砂布打磨待修复轴颈以除去油污和锈迹，必要时可采用火焰烘烤曲轴以去除渗入到曲轴内部的油污。（2） 检查 检查曲轴是否有弯曲、扭曲、裂纹及磨损情况。（3） 磨削 磨削主要是用以去除轴颈表层变质金属以避免堆焊层产生裂纹和气孔。另外磨削可将偏磨部分磨圆以保证堆焊层厚度均匀。（4） 曲轴保护 仔细清除油孔和油道里的油污，然后用碳棒或石墨膏堵塞油孔。（5） 预热 曲轴堆焊前，适当的预热可避免跨焊道的纵向裂纹和堆焊层气孔的产生，改善堆焊层与基体金属的熔合。预热时垂直吊放曲轴以免产生变形。预热温度一般为150℃~350℃。（6）堆焊 选取φ1.6mm的50CrVA、30CrMnSiA或高碳钢丝，在NU?300振动堆焊设备上按以下工艺参数进行堆焊：堆焊速度，460~560mm/min；送丝速度，2mm/min；堆焊螺距，3.6~4mm/r；工作电压，21~23V；工作电流，150~180A。在堆焊时要注意以下几点：① 为了防止曲轴圆角处应力集中，在距曲柄2~2.5mm处不堆焊；② 在堆焊靠近圆角处开始或终了两圈焊道时不浇注冷却液；③ 为了防止开始堆焊的地方有焊不透等缺陷，堆焊时应丛曲柄臂的前侧方向起焊且圆角处不焊，如图3；[img]http://img.hc360.com/mt/info/images/200710/2007101002.gif[/img]④ 为避免曲轴变形，堆焊时先堆焊连杆轴颈，后堆焊主轴颈，且从中间向两边堆焊；（7） 后处理 为了减小曲轴变形和消除内应力，堆焊后将其放在100℃~200℃的保温箱内保温1~2h，随炉冷却，然后钻通各油孔，并检查有无缺陷，必要时进行焊接修复。然后再磨削。2.3电弧喷涂修复 热喷涂技术是近年来在机械制造和设备维修中广泛应用的一项表面工程技术。它是将熔融状态的喷涂材料通过高速气流使其雾化喷射在零件表面，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。目前，它已广泛地应用于制造各种功能性涂层和机械零部件的修复中[4-5]。待喷涂曲轴的清洗、检查、磨削方法与堆焊相同。为了使喷涂层与基体获得良好的结合，对待修复轴颈进行砂粗化处理，喷砂工艺参数为：喷砂压力取0.65MPa，喷砂角度85°，喷砂距离为180~200mm。然后堵塞油孔并用铜皮对所要喷涂轴颈的邻近轴颈进行遮蔽保护。选用CMD?AS?1620电弧喷涂设备。先用镍?铝复合丝喷涂打底层。然后选用φ2mm的3Cr13喷涂丝进行电弧喷涂，喷涂工艺参数为：电压38～40V，电流110～130A，压缩空气压力0.65MPa。为获得致密的涂层，在喷涂时要连续喷涂，中间不应有较长时间的停顿，否则会影响结合强度。喷涂厚度一般以留出0.8~1mm的加工余量为宜。喷涂后要检查喷涂层与轴颈基体是否结合紧密，如不够紧密，则除掉重喷。如检查合格，可对曲轴进行磨削加工。磨削进给量以0.05～0.10mm为宜。磨削后，用砂条对油道孔研磨，经清洗后将其浸入80～100℃的润滑油中煮8～10h，待润滑油充分渗入涂层后，即可装车使用。2.4电刷镀修复 电刷镀具有镀层与基体的结合强度高，镀层硬度高，耐磨、耐蚀性好，镀后工件不变形，沉积速度快，镀层种类多，应用范围广等优点，已广泛地应用于零件的磨损修复、表面防腐、减摩、装饰等。电刷镀修复曲轴的一般工艺为：（1） 表面准备 先进行磨削加工，消除轴颈的椭圆度，用油石或刮刀将油孔边缘倒成45°角，防止应力集中而降低镀层与基体金属的结合强度及划破阳极包套。用煤油、汽油、碱液煮洗或火焰烘烤等去除表层及渗入到曲轴内部的油污，然后用木楔堵塞油孔。（2） 电净 使用电净液TGY?1，工件接电源负极，电压调定在12~18V之间，工件与镀笔相对运动速度为12~18m/min，时间约40~80s，至水膜均匀摊开，然后用清水冲洗工件表面。（3） 活化 先使用THY?2活化液，工件接电源正极，电压调定在6~12V之间，工件与镀笔的相对速度为12~18m/min，至表面呈黑灰色，用水冲洗工件表面。然后再使用THY?3活化液，工件接电源正极，电压调定在8~12V之间，工件与镀笔的相对速度为12~18m/min，至表面呈现银灰色，然后用清水冲洗工件表面。（4） 去除多余活化液 由于疏松处缺陷里吸附着活化液，为此先用脱脂棉球把疏松处周围的活化液吸附干净，再用脱脂棉球蘸上过镀层镀液涂在疏松处。（5） 刷过镀层 用特殊镍TDY?101作过镀层的镀液，先无电擦拭10~20s，然后把工件接入电源负极，电压调定在12~15v之间，工件与镀笔的相对速度为12~18m/min。过镀层厚度一般为0.002mm。（6） 刷工作层 工作层刷镀选用快速镍TDY?102。用镀笔蘸快速镍无电擦拭5~8s，然后把工件接入电源负极，电压调定到12~15V之间，工件与镀笔的相对速度为12m/min~20m/min，刷镀至所需厚度即可。（7） 镀后处理 工作层镀至规定厚度后，用水清洗表面，取出油孔中的木楔。用油石打平油孔边缘，并用压缩空气吹净油孔道和表面。然后磨削加工至要求的表面粗糙度和尺寸精度。2.5手工电弧焊修复 当曲轴主轴颈磨损严重时，可采用对称焊修的方法修复。其过程为：先将轴颈表面油污除净，再用錾子将轴颈周围打上麻坑；选用直径3～4mm的低碳钢焊条进行对称焊接，焊接电流为145~155A，焊后的轴颈尺寸比标准轴颈要大2～3mm，然后进行磨削加工至标准尺寸。发生裂纹时，先用錾子开坡口，沿着裂纹表面开U形坡口，坡口深度以看不见裂纹为宜，宽度为13～14mm，焊前先用氧?乙炔焰预热焊接部位到400℃，然后进行对称焊接。焊后要钻通油道，凿修平整，然后磨削加工至标准尺寸。3、曲轴的其他部位的损伤 起动螺纹损伤可用加大螺纹孔的方法修复，应注意切勿损伤螺纹孔倒角；若曲轴后端凸缘端面或外圆柱面对主轴颈中心线圆跳动超差，可用车削端面或柱面方法消除；凸缘盘上连接飞轮的螺栓孔磨损，可用扩孔后加大固定螺栓方法修复。若凸缘盘上安装变速器第一轴的前轴承的承孔对主轴线径向圆跳动超差，用镶套修复法修理。4、结论 由于曲轴在使用中经常会受到损伤，而且价格相对比较高。为此，修复曲轴是非常有意义的。我们选取了4根不能按最后一级修理尺寸磨削修理的S195柴油机曲轴，分别对2根曲轴的每个主轴颈和连杆轴颈采用堆焊和电弧喷涂进行修复，然后分别通过偏磨和正常磨削后装车运转。偏磨结果表明涂层结合良好，无剥落和脱皮现象。装机后进行台架磨合及满负荷运转。柴油机在不同的转速下空负荷运转15min，在不同转速不同负荷下运转15min，额定工况下运转5min，超负荷至108%运转5min，均工作良好。累计满负荷台架试验工作超过20h，修复层无异常现象。
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