某低速機(jī)曲軸軸頸磨損分析

低速柴油機(jī)曲軸整體尺寸較大，并且由于沖程較長(zhǎng)，曲臂的尺寸也會(huì)較大。因此在曲軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，曲軸整體以及各曲拐處都會(huì)產(chǎn)生較大的變形。曲軸的變形會(huì)對(duì)曲軸強(qiáng)度和軸承磨損產(chǎn)生很大的影響。因此在低速機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)曲軸的變形都有嚴(yán)格的規(guī)定。某型低速柴油機(jī)在主機(jī)勘驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)主機(jī)曲軸前端法蘭軸向減振器位置處軸頸損壞，軸向減振器位置如圖1所示，軸向減振器位于調(diào)頻輪側(cè)，軸頸處距離曲軸前端面法蘭278mm。圖1曲軸軸頸磨損位置軸向減震器殼體受損處位于下殼體正下方即偏排氣側(cè)一側(cè)，上殼體無(wú)損傷。軸頸處產(chǎn)生寬度約為30mm的傷口，其中軸向減振器軸頸破壞情況如圖2所示。圖2曲軸軸頸破壞圖初步推斷可能由于勘驗(yàn)過(guò)程中調(diào)頻輪側(cè)軸瓦拆除后旋轉(zhuǎn)曲軸過(guò)程中產(chǎn)生的大變形導(dǎo)致。為了對(duì)其驗(yàn)證，采用仿真分析的方法，計(jì)算曲軸在勘驗(yàn)過(guò)程的變形情況，判斷曲軸軸頸磨損原因。一、有限元分析1、模型描述曲軸組件的三維模型如圖3所示。圖3曲軸組件三維模型曲軸的一側(cè)為飛輪，另外一側(cè)為調(diào)頻輪，在調(diào)頻輪的內(nèi)側(cè)與第1#曲拐之間位置處安裝有軸向減振器。根據(jù)圖紙和相關(guān)技術(shù)文件，各部件的材料參數(shù)及質(zhì)量參數(shù)如表1所示。其中調(diào)頻輪的質(zhì)量約為17113kg。2、邊界條件及載荷本次計(jì)算的有限元模型如圖4所示，主要包括飛輪、曲軸、調(diào)頻輪和軸瓦，其中調(diào)頻輪側(cè)第1#主軸承軸瓦已經(jīng)拆除。圖4有限元模型有限元模型單元數(shù)為478432個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為771713，曲拐處單元類型為C3D10M，主軸頸和曲柄銷處單元類型為C3D15，軸瓦的單元類型為C3D20。計(jì)算過(guò)程中將主軸承軸瓦外表面進(jìn)行固定約束。曲柄銷處進(jìn)行耦合加載連桿和活塞組件的重量(49722.68N)，方向豎直向下，同時(shí)，整個(gè)模型加載豎直向下的重力加速度（9800mm/s2)。3、計(jì)算結(jié)果主機(jī)在勘驗(yàn)過(guò)程中，在軸向減震器下殼體拆除的狀態(tài)下，安裝百分表指向調(diào)頻輪，百分表的位置在調(diào)頻輪下方中間與外邊緣中間處。將調(diào)頻輪頂高1.5mm后拆除第1道主軸承下軸瓦，頂升工具拆除后，百分表實(shí)測(cè)調(diào)頻輪落下4.3mm，則調(diào)頻輪相對(duì)第Ⅰ道主軸瓦拆除前下垂值約為2.8mm，調(diào)頻輪發(fā)生了較大的向下變形。此時(shí)對(duì)應(yīng)的調(diào)頻輪側(cè)第一曲拐盤車相對(duì)水平位置約為143°。盤車角度示意如圖5所示，圖中左側(cè)為排氣側(cè)，右側(cè)為燃油側(cè)。圖5盤車角度示意圖有限元計(jì)算盤車角度143°時(shí)，曲軸的下垂量結(jié)果如圖5所示。圖6曲軸下垂量結(jié)果從圖中可以看出調(diào)頻輪邊緣處最大下垂量約為2.901mm，調(diào)頻輪下方中間位置處下垂量約為2.491mm，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量位置處的下垂量約為2.7mm，可見調(diào)頻輪下垂量計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果2.8mm基本一致?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),由于空間的限制，無(wú)法測(cè)量軸向減振器軸頸處的下垂量值，從有限元計(jì)算結(jié)果可得軸向減振器軸頸處的下垂量值約為1.68mm。從圖紙尺寸要求，軸向減振器處曲軸軸頸與軸向減振器下殼體之間的間隙為(2.4±0.2)mm，軸向減振器軸頸處的下垂量值小于相應(yīng)的間隙值，因此在盤車角度為143°時(shí)，軸向減振器軸頸與殼體不會(huì)發(fā)生干涉。實(shí)際勘驗(yàn)中，軸頸和軸向減振器下殼體發(fā)生破環(huán)，可能由加工精度或安裝精度造成，今后應(yīng)在安裝完成后測(cè)量軸頸配合間隙，使之滿足設(shè)計(jì)要求。二、曲軸盤車過(guò)程變形分析為了分析得到曲拐處在什么盤車角度時(shí)調(diào)頻輪前端的理論下垂量最大，需要分析盤車一周內(nèi)曲軸的變形情況。因此對(duì)曲軸組件盤車一周內(nèi)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到一周盤車角度下曲軸各處的位移結(jié)果。圖7各盤車角度曲軸下垂量結(jié)果將各盤車角度下，曲軸調(diào)頻輪側(cè)的下垂量結(jié)果和調(diào)頻輪邊緣處的下垂量結(jié)果整理如圖7所示，從圖中可以看出調(diào)頻輪和軸向減振器軸頸處的最大下垂量值均出現(xiàn)在盤車角度為90°處，0~180°區(qū)間與180~360°區(qū)間基本對(duì)稱。其中調(diào)頻輪邊緣處最大下垂量為3.406mm，軸向減振器軸頸處最大下垂量約為2.026mm。軸向減振器軸頸處的最大下垂量值小于圖紙中要求的間隙（2.4±0.2)mm，因此理論上曲軸軸頸與軸向減振器下殼體不會(huì)發(fā)生干涉?？梢娎碚撋险{(diào)頻輪軸頸處在勘驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)與曲軸前端法蘭干涉而發(fā)生磨損。三、第1#曲拐對(duì)調(diào)頻輪下垂量的影響分析曲軸調(diào)頻輪側(cè)的下垂變形規(guī)律與調(diào)頻輪側(cè)第1#曲拐關(guān)系密切，因此下面研究第1#曲拐對(duì)調(diào)頻輪下垂量的影響規(guī)律。僅考慮第1#曲拐對(duì)調(diào)頻輪下垂量的影響，有限元模型只包含第1#曲拐和調(diào)頻輪兩部分。計(jì)算中將第1#曲拐左側(cè)截面處固定，然后施加相應(yīng)的重力載荷，計(jì)算曲軸盤車一周調(diào)頻輪的變形結(jié)果。其中曲軸盤車角度為0、90、180和270°時(shí)對(duì)應(yīng)的豎直方向下垂結(jié)果如圖8所示。圖8調(diào)頻輪側(cè)單拐豎直方向位移云圖從圖中可以看出，盤車角度為0、90、180和270°時(shí)相應(yīng)的調(diào)頻輪的最大下垂量分別為1.744、2.18、1.744和2.183mm。可知盤車角度為0°~180°區(qū)間與180°~360°區(qū)間對(duì)應(yīng)的調(diào)頻輪最大下垂量呈對(duì)稱分布。將單拐模型盤車一周過(guò)程中調(diào)頻輪下垂量的結(jié)果與整體曲軸模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖9所示。圖9僅考慮1#曲拐影響的調(diào)頻輪下垂量對(duì)比從圖中可以看出，調(diào)頻輪下垂量趨勢(shì)相同，在0°~180°區(qū)間與180°~360°區(qū)間呈規(guī)律性變化，可見這種規(guī)律性的變化主要由第1#曲拐引起。今后在盤車角度選取時(shí)，可采用單拐模型進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)盤車角度快速評(píng)估。四、結(jié)論對(duì)主機(jī)勘驗(yàn)過(guò)程曲軸組件的變形情況進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)各處的變形結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論:(1)曲軸盤車過(guò)程中，盤車角度為143°時(shí)調(diào)頻輪下落約2.8mm，仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果一致。(2）通過(guò)對(duì)盤車一周進(jìn)行仿真分