柴油機(jī)曲軸連續(xù)性供油方式研究與設(shè)計(jì)

摘? 要：以6300柴油機(jī)為研究對(duì)象，計(jì)算并分析曲軸潤(rùn)滑油供應(yīng)的不連續(xù)性，研究可能導(dǎo)致曲柄銷軸瓦潤(rùn)滑油間斷時(shí)刻，以及當(dāng)越過(guò)供油死角壓力突降而造成油孔周圍的穴蝕。設(shè)計(jì)一種連續(xù)供應(yīng)曲軸潤(rùn)滑油的裝置，確保柴油機(jī)在任何曲柄轉(zhuǎn)角下都能充足供油。

關(guān)鍵詞：供油連續(xù)性;穴蝕;供油方式;設(shè)計(jì)新裝置

0 引 言

現(xiàn)有柴油機(jī)滑動(dòng)式曲軸主軸承和曲柄銷軸承均依靠主軸承上蓋通道供油，由于油孔相對(duì)時(shí)位置所占曲柄轉(zhuǎn)角很小，供油呈大小變化狀態(tài)。特別是當(dāng)楔形油膜壓力等于或超過(guò)供油壓力時(shí)，實(shí)際供油即已停止，供油連續(xù)性不能保證。另外，在柴油機(jī)啟動(dòng)初期或低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，由于曲軸重力作用，主軸承下瓦完全處于缺油狀態(tài)，造成軸徑和軸承嚴(yán)重的摩擦磨損，影響設(shè)備的安全使用壽命。而主軸承下瓦就是供油和潤(rùn)滑最差的部位。

因此，尋找一種合理的軸承潤(rùn)滑供油方式，以確保主軸承下瓦在任何時(shí)候都能得到充分供油潤(rùn)滑，是柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)課題。

1 分析曲軸的供油狀態(tài)（以6300柴油機(jī)為例）

1.1 6300曲軸結(jié)構(gòu)參數(shù)

6300柴油機(jī)曲軸總長(zhǎng)2 900 mm，主軸頸Φ195 mm，單元主軸長(zhǎng)度2-6道110 mm，第一道長(zhǎng)130 mm，第七道長(zhǎng)128 mm。曲柄銷Φ195 mm，單元長(zhǎng)度120 mm。曲柄臂厚85 mm，寬400 mm。

主軸頸油孔直徑10 mm。

1.2 6300曲軸供油狀態(tài)

從曲軸上方的油孔供油，一部分在主軸瓦兩側(cè)泄流回曲軸箱，一部分沿曲軸內(nèi)部通道進(jìn)入曲柄銷軸瓦處，最后也在兩側(cè)泄流回曲軸箱，如圖1所示。

油孔在位置1時(shí)，油孔相對(duì)供油順暢。

在位置2時(shí)供油壓力等于楔形油膜產(chǎn)生的壓力，供油停止。

位置2-3一段轉(zhuǎn)角，均無(wú)供油。

3-1供油又開始逐漸加大，如圖2所示。

按照主軸頸195mm，油孔直徑10mm，計(jì)算油孔所占的曲柄轉(zhuǎn)角為：θ/2=arc sin10/195=2.9693°， θ=6°，如圖3所示。

因此，曲軸供油量成為斷續(xù)供油狀態(tài)。全額供油僅為36°曲柄轉(zhuǎn)角，其余均處于油量下降、停止或上升狀態(tài)中，如圖4所示，為曲柄供油量狀態(tài)。

1.3 6300軸承供油分析

主軸承上蓋與主軸頸油孔相對(duì)位置曲柄轉(zhuǎn)角很小，其余角度供油不充分或不能供油。

在柴油機(jī)啟動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)，由于曲軸本身重力作用，主軸承下瓦處于干摩擦狀態(tài)。

由于油量供應(yīng)不足或間斷，主軸承及下瓦摩擦磨損嚴(yán)重。長(zhǎng)期將嚴(yán)重?fù)p害使柴油機(jī)使用的安全性和可靠性。

2 曲軸連續(xù)供油方式的設(shè)計(jì)

2.1 自由端連續(xù)供油設(shè)計(jì)

從自由端曲軸軸心供油，油孔總是處于全開狀態(tài)。同時(shí)在主軸頸和曲柄銷頸上上下對(duì)側(cè)開孔，可實(shí)現(xiàn)上下同時(shí)供油，如圖5所示。

自由端開口能有效解決連續(xù)性曲軸供油問(wèn)題，避免因油孔錯(cuò)位時(shí)通道流量下降或停止的缺陷。曲軸無(wú)論轉(zhuǎn)到什么角度位置，即便曲軸供油孔轉(zhuǎn)到正下位，供油孔均處于開啟位置。方案中已經(jīng)改設(shè)成上下對(duì)穿油孔，理論上可形成上下同時(shí)供油。

2.2 下瓦中間開槽設(shè)計(jì)

一般柴油機(jī)上瓦開槽，而下瓦不開槽，如圖6所示。新型設(shè)計(jì)下瓦中間也同樣開槽。

為了在較低靜壓頭下，下瓦能在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生楔形油膜，油槽必須開的較淺。在啟動(dòng)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍有充分的潤(rùn)滑布油，必須進(jìn)行花槽設(shè)計(jì)，如圖7所示。下瓦開槽相當(dāng)于在柴油機(jī)停車、啟動(dòng)或慢速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下瓦中間始終保留一定量的潤(rùn)滑油，任何時(shí)候都不會(huì)干摩擦。由寬向外漸窄由深向外漸淺的花槽開設(shè)，為下瓦的均衡布油提供了幫助，使主軸頸和軸承處于油膜潤(rùn)滑狀態(tài)。

3 需要解決的其他問(wèn)題

3.1 曲軸油道改造

曲軸中的供油呈串聯(lián)形態(tài)，油壓因管道阻力，從自由端到負(fù)載端會(huì)逐漸降低。考慮油壓?jiǎn)栴}，滑油泵供油壓力必須相應(yīng)提高，曲軸油道從自由端開始需呈漸縮型，如圖8所示，以保證供油末端的油壓。

3.2 動(dòng)靜油管連接

滑油泵供油管稱為靜管，曲軸滑油通道稱為動(dòng)管，二者之間連接而又保證極少的泄漏量問(wèn)題，需要特殊的機(jī)械軸封加以解決。

3.3 下瓦油槽開設(shè)

開花槽后下瓦的強(qiáng)度需得到保證。

軸承所受承壓應(yīng)由氣體力、慣性力及離心慣性力組成。

①氣體力：氣體力與柴油機(jī)的工作過(guò)程和負(fù)荷有關(guān)，氣體力有周期交變規(guī)律。根據(jù)p-v或p-ψ示功圖可知，因此

D為氣缸直徑，Pg為氣缸中的氣體壓力。

②往復(fù)慣性力：集中在活塞中心處的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mj在作不等速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生往復(fù)慣性力Fj為

X為活塞位移

用活塞加速度公式代入，得

R為曲軸半徑，λ為連桿比，ω為曲柄角速度，α為曲軸轉(zhuǎn)角

③離心慣性力：集中在曲柄銷中心線處的不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量mg在作勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心慣性力FR，可表示為

以上三者共同作用是軸承所受總力，有

由材料沖擊韌性公式，可知

Ak 軸承所受的沖擊能，αk材料的沖擊韌度

對(duì)于某種材料來(lái)說(shuō)，其沖擊韌度是一定的，因此軸承截面S的大小只取決于沖擊載荷的大小。一般柴油機(jī)軸承承壓部分只占120°至150°角，取120°軸承面積減去圖10陰影部分累計(jì)總和，就是軸承實(shí)際承壓面積。

只要實(shí)際承壓面積大于理論計(jì)算結(jié)果，軸承就是安全可靠的。

4 結(jié) 論

為了防止曲軸油孔轉(zhuǎn)向下側(cè)時(shí)暫時(shí)斷油，在油孔暢流瞬間因壓力降低而形成空泡腐蝕，保證曲軸在任何工作狀態(tài)均能連續(xù)不斷地供油，采用自由端連續(xù)供油方式的設(shè)計(jì)，且把曲軸油道開設(shè)成漸縮型。

同時(shí)為了曲軸油孔向下側(cè)時(shí)油道的相對(duì)暢通和合理布油，在下瓦上開設(shè)油道，并且呈花槽形態(tài)，能有效改善背壓造成的供油壓力波動(dòng)。

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作者簡(jiǎn)介：

朱永強(qiáng)，副教授，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，專業(yè)帶頭人，從事輪機(jī)工程技術(shù)專業(yè)教學(xué)與科研，（E-mail）zyqiang@zjvtit.edu.cn，13675897839