瓦錫蘭X62型曲軸曲拐間距尺寸控制的研究

宋奇超,　周煥軍

上海船用曲軸有限公司　上?！?01308

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瓦錫蘭X62型曲軸曲拐間距尺寸控制的研究

宋奇超,周煥軍

上海船用曲軸有限公司上海201308

紅套技術(shù)是曲軸產(chǎn)品加工中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。大功率低速半組合式船用曲軸作為船用柴油機(jī)的重要?jiǎng)恿Σ考?具有噸位重、長度長、部件多、剛性強(qiáng)等特點(diǎn),對(duì)紅套及其加工工藝提出了很高的技術(shù)要求,尤其是曲軸各曲拐之間中心間距的精度直接影響了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞桿的聯(lián)裝等級(jí),以及船用柴油機(jī)的使用效率和壽命。對(duì)瓦錫蘭X62型曲軸曲拐間距尺寸的控制進(jìn)行了研究,提出了改進(jìn)措施,使產(chǎn)品的數(shù)據(jù)滿足生產(chǎn)工藝的要求。

船用曲軸; 紅套; 曲拐長度; 控制

大功率低速半組合式船用曲軸項(xiàng)目是我國“十五”規(guī)劃期間國家重點(diǎn)扶持的項(xiàng)目[1]。上海船用曲軸有限公司在2005年打破韓國、日本等國家的技術(shù)壟斷,為國內(nèi)船舶配套業(yè)、大型船用曲軸市場(chǎng)開辟了新紀(jì)元。目前國內(nèi)船用曲軸主要生產(chǎn)廠家有三家——上海船用曲軸有限公司、大連華銳曲軸有限公司和青島海西重工有限公司。

2008年金融危機(jī)爆發(fā)后,船舶行業(yè)整體形勢(shì)嚴(yán)峻,市場(chǎng)產(chǎn)能過剩問題凸顯,船用曲軸產(chǎn)品價(jià)格一路下滑,接近原材料成本價(jià),利潤空間狹窄。因此,能否在嚴(yán)峻的市場(chǎng)環(huán)境下利用科學(xué)技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新,提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)力,從而提高企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭和生存能力，成為重中之重。筆者對(duì)半組合式船用曲軸生產(chǎn)中紅套工藝技術(shù)方法進(jìn)行研究,對(duì)曲軸曲拐間的中心間距尺寸控制方法進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化,進(jìn)一步提高長度尺寸控制精度,以獲得更高的產(chǎn)品質(zhì)量。

1　船用曲軸的分類與特點(diǎn)

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)重要部件,由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成。軸頸安裝在缸體上,拐徑與連桿大頭連接,連桿小頭孔與氣缸活塞連接,是一個(gè)典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[2]。

船用曲軸是直接用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳連接進(jìn)而傳遞推進(jìn)力的部件,按照制造方法大致可分為兩種： 一種是整體制造的曲軸,主要用于中小船舶和中高速?zèng)_程的柴油發(fā)動(dòng)機(jī);另一種是組裝式曲軸,主要用于萬噸輪和低速二沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

大功率低速半組合式船用曲軸是船用柴油機(jī)的關(guān)鍵部件[3],主要特點(diǎn)是噸位重、精度高、性能要求苛刻、制造工藝復(fù)雜。船用曲軸要求與船舶壽命相同,終身免維護(hù)。在造船行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)： 能否自主研制大型曲軸,是衡量一個(gè)國家造船工業(yè)水平的重要標(biāo)志[4]。

大型船舶為了使螺旋槳有更高的推進(jìn)效率,要求船用發(fā)動(dòng)機(jī)有較低的轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程為： 一股新鮮空氣被抽進(jìn)或泵進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi),然后被運(yùn)動(dòng)的活塞壓縮到很高的壓力；當(dāng)空氣被壓縮時(shí),其溫度升高以點(diǎn)燃噴射進(jìn)氣缸的霧狀燃油；燃油的燃燒為充入的空氣增加更多的熱量,引起膨脹并迫使發(fā)動(dòng)機(jī)活塞對(duì)曲軸做功；經(jīng)過混合壓縮氣的燃爆,推動(dòng)活塞做直線運(yùn)動(dòng),經(jīng)過連桿將力傳給曲軸,并通過其它軸來驅(qū)動(dòng)船舶的螺旋槳,由曲軸將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),為船舶提供航行動(dòng)力。

2　曲軸紅套

半組合式大功率低速X62型船用曲軸由n個(gè)曲拐、n-1個(gè)主軸頸、1個(gè)自由端法蘭及1個(gè)輸出端法蘭紅套組合而成。

曲軸紅套技術(shù)[5]是目前世界上曲軸生產(chǎn)較為先進(jìn)的熱裝技術(shù)。簡而言之,曲拐與主軸頸的配合方式為過盈配合,過盈量因曲軸型號(hào)不同而不同,一般理論上為配合孔徑的2.42‰～2.49‰。配合孔頸越大,過盈量越大,以確保能夠有足夠的表面接觸面積,增大摩擦力,提高抗扭能力。

紅套加熱采用中、低頻感應(yīng)加熱技術(shù),該技術(shù)與燃?xì)饧訜岬葌鹘y(tǒng)加熱方式相比,有以下優(yōu)點(diǎn)： 從環(huán)保角度講,更節(jié)能、高效，且無污染;從生產(chǎn)角度講,加熱后零件表面溫度均勻,易控制;此外，加熱效率高,耗時(shí)3～4h零件表面溫度即可達(dá)到工藝溫度320～380℃范圍[6]。

曲拐與軸頸的紅套連接過程中,按先單套后復(fù)套的順序,逐步組合為整體。目前紅套加熱普遍采用中、低頻感應(yīng)加熱技術(shù),加熱后零件表面溫度均勻。當(dāng)零件表面溫度達(dá)到工藝溫度后,檢測(cè)紅套孔漲量,滿足孔軸過盈量配合時(shí),方可進(jìn)行紅套組合。

紅套流程如圖1所示。紅套組合后,相鄰兩個(gè)曲臂的中心相對(duì)位置便已確定,軸頸與曲拐內(nèi)開檔中心距也隨之固定。因此，在軸頸長度和曲臂厚度均按照設(shè)計(jì)要求制造的情況下,曲軸紅套工藝的完成質(zhì)量對(duì)于曲臂間距和曲軸總長能否滿足設(shè)計(jì)圖紙尺寸要求起著決定性作用。

圖1　紅套流程圖

3　曲拐間距控制方法

X62型船用曲軸的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求如圖2所示。曲軸總長尺寸公差及相鄰曲臂間距的長度尺寸公差均為±1.5mm,各曲拐中心間距為1260mm。

圖2　X62曲軸曲拐中心間距及長度尺寸

根據(jù)曲軸與相鄰曲拐間位置示意圖(圖3),并對(duì)各部位長度尺寸符號(hào)命名，可得各曲拐間的間距公式：

1/2×L0=1/2×L1+L2+1/2×L3

(1)

式中：L0為軸間距，即曲拐中心間距，mm;L1為曲拐內(nèi)開檔長度，mm;L2為曲拐單側(cè)壁厚，mm;L3為相鄰曲臂表面間距，mm。

圖3　相鄰曲拐位置示意圖

最終影響曲拐中心間距尺寸的是3個(gè)因素： 內(nèi)開檔長度、曲拐單側(cè)壁厚、相鄰曲臂表面間距。因內(nèi)開檔長度L1和曲拐曲臂壁厚L2都是符合設(shè)計(jì)圖紙參數(shù)要求的,可由機(jī)械精加工直接獲得,因此控制相鄰曲拐中心距的重點(diǎn)在于相鄰曲臂間的間距L3。

由式(1)可以導(dǎo)出：

L3=L0-L1-2L2

(2)

如圖4中B、C放大圖所示,按照X62圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求,主軸頸端面應(yīng)超出曲拐內(nèi)開檔表面0～1mm的距離,統(tǒng)稱軸頸伸出量。

因此,紅套過程中既要保證相鄰曲拐中心間距,還要滿足主軸頸端面伸出量的尺寸要求。經(jīng)過研究,采用不等高紅套墊塊的方法對(duì)軸頸伸出量加以控制,在滿足伸出量的同時(shí)保證相鄰曲拐的中心間距?？刂魄臻g距的理論重點(diǎn)是在紅套過程中放置的墊塊厚度控制及吊裝件水平控制。

圖4　軸頸與曲拐紅套過程中相對(duì)位置圖

圖5　墊塊厚度計(jì)算示意圖

紅套墊塊厚度計(jì)算示意圖如圖5所示,紅套墊塊厚度h初步計(jì)算公式為：

h=1/2×L0-1/2×L1-L2-1/2×L4

(3)

Q=1/2×L1+D+1/2×L4-1/2×L0

(4)

式中：L4為主軸頸2個(gè)紅套臺(tái)階外間距，mm;D為主軸頸紅套部分長度，mm；Q為軸頸伸出量，mm。

其中,內(nèi)開檔長度L1、曲臂壁厚L2、紅套臺(tái)階外間距L4均是機(jī)床精加工后的精確尺寸,滿足圖紙要求,屬于確定因素。最終檢驗(yàn)及計(jì)算數(shù)據(jù)來自檢驗(yàn)員填寫的數(shù)據(jù)報(bào)告。因此,紅套墊塊的厚度尺寸是由其它已知尺寸通過尺寸鏈計(jì)算而來,屬于理論值。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中,孔軸過盈配合需要對(duì)紅套孔進(jìn)行加熱。在曲拐紅套孔加熱過程中,隨著孔內(nèi)表面及曲臂表面溫度的不斷升高[7],曲臂在長度及厚度方向上均會(huì)有一定的熱脹量，即紅套加熱后,曲拐內(nèi)孔直徑變大,滿足紅套工藝尺寸要求，與此同時(shí)，高溫下的曲拐曲臂厚度會(huì)超出常溫下的量值。實(shí)際紅套過程中,產(chǎn)品紅套質(zhì)量受諸多因素影響,如人、設(shè)備、環(huán)境、材料本身等。其中,紅套溫度是影響紅套結(jié)果質(zhì)量的重要因素，大量實(shí)際數(shù)據(jù)表明，紅套加熱溫度在330～340℃時(shí)為最佳。

目前曲軸產(chǎn)品的材料廣泛使用S34MnV及M60.6進(jìn)行鍛造。經(jīng)過查閱相關(guān)科技文獻(xiàn)資料,以上材料線性熱膨脹系數(shù)約為1.2× 10-5/K[8]。

根據(jù)自然物理熱脹冷縮原理,曲拐紅套孔受到高溫加熱后,紅套孔直徑變大,脹量理論計(jì)算公式如下[9]：

σ=(0.0014～0.0018)d

(5)

式中：σ為曲軸紅套過盈量，mm；d為紅套孔直徑，mm。

紅套溫度計(jì)算公式為：

T=Δd/(αd)

(6)

式中：T為紅套溫度，℃；Δd為孔徑增大值,mm；α為材料線性熱膨脹系數(shù),1.2×10-5/K。

根據(jù)現(xiàn)有曲軸型號(hào)，保留0.5～1.0mm間隙且紅套孔溫度加熱范圍為320～370℃,以X62機(jī)型為例,其余各項(xiàng)紅套參數(shù)如下： 紅套配合軸頸直徑為φ760mm,過盈量為2.04～2.10mm,紅套時(shí)表面溫度設(shè)為340℃。將上述參數(shù)代入式(6)可得Δd=3.1mm。

曲拐曲臂單側(cè)厚度在溫度升高后亦會(huì)產(chǎn)生彈性形變,形變量計(jì)算公式與紅套孔脹量類似,計(jì)算結(jié)果均是理想狀態(tài)下的理論值,具體公式如下：

Δh=λαT

(7)

式中：λ為單側(cè)曲臂厚度，287mm。

曲臂厚度方向彈性變量為Δh=340×1.2×10-5×287=1.17mm,單邊0.58mm。

在孔軸紅套組合完成后,紅套單件自然冷卻降溫,冷卻到室溫后,曲拐紅套孔徑尺寸會(huì)和軸頸尺寸保持一致，即紅套孔徑不會(huì)恢復(fù)到原來尺寸,而是變?yōu)檩S頸尺寸,形成孔軸過盈配合。因此在體積不變的情況下,在主軸頸外圓與曲臂外表面接觸部分,曲臂厚度會(huì)有所增加,具體的增加量受多種因素影響,如操作者的熟練程度、紅套前紅套孔表面溫度的高低、冷卻環(huán)境溫度、冷卻速度等。

改進(jìn)方法為： 在計(jì)算紅套墊塊厚度時(shí),人為去掉一定量厚度,使其抵消紅套加熱變形量。根據(jù)不同機(jī)型,設(shè)定不同的經(jīng)驗(yàn)值，即理論墊塊厚度=實(shí)際墊塊厚度+工作經(jīng)驗(yàn)值

工作經(jīng)驗(yàn)值是通過三維模型仿真及大量數(shù)據(jù)累積后得出的,X62曲軸采用的工作經(jīng)驗(yàn)值為0.3～0.4mm。

以W5X62船用曲軸為例,采用經(jīng)驗(yàn)值后的紅套尺寸及中間距尺寸見表1。

表1　改進(jìn)前后對(duì)比　mm

4　總結(jié)

通過上述理論研究與計(jì)算,使最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)果滿足生產(chǎn)工藝要求,產(chǎn)品參數(shù)符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。由于結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的復(fù)雜性，復(fù)雜規(guī)則曲面形體的膨脹特性與簡單機(jī)械零件的膨脹特性不同[10]，因此工作經(jīng)驗(yàn)值的準(zhǔn)確性仍有進(jìn)一步研究的必要?；诟涌茖W(xué)先進(jìn)的技術(shù)手段,建立模型,模仿復(fù)雜環(huán)境參數(shù),獲得更加科學(xué)有效的數(shù)據(jù),建立曲軸產(chǎn)品紅套數(shù)據(jù)庫推廣應(yīng)用,進(jìn)而為提高產(chǎn)品質(zhì)量作出貢獻(xiàn)。

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Shirinkage fitting is an important technical element in production and processing of crankshaft. High-power low-speed semi-built marine crankshaft as an important driving unit in marine diesel engine features large tonnage, long length, multiple parts and strong rigidity with very high technical requirements during shrinkage fitting and processing. Especially the accuracy grade of the pitch between bellcrank centers of the crankshaft may affects directly the grade of multi-piston rod mounting in the diesel engine, as well as the service efficiency and service life of the marine diesel engine. Based on the study on the pitch control between the bellcranks of Wartsila X62 crankshaft, put forward the improved measures to make product data satisfying the production process.

Marine Crankshaft; Shrinkage Fitting; Length of Bellcrank; Control

2015年12月

宋奇超(1988—)，男，學(xué)士，助理工程師，主要從事產(chǎn)品工藝及質(zhì)量管理工作，

E-mail： songqch@shanghai-electric.com

TM201.3;TK426

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1674-540X(2016)02-036-04