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浅谈船用轴承的研制使用及分析 |
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| 发布时间：2012.10.27 新闻来源：济南泰达泵业 浏览次数： |
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各种滑动轴承（瓦）的研磨在修造船行业中是一项劳动强度高，工作量大，技术要求高的艰苦工作。尤其是柴油机主轴承和连杆轴承的研磨往往严重影响整个修船工程的质量和进度。随着新技术，新工艺，新材料的不断采用，柴油机采用分级标准件更换日益增多，但我国现阶段由于工艺设备的限制，曲轴尚难做到分级磨削处理，在修船工程中轴承的研磨仍有现实意义。
在修造船工程中，轮机系统的工作量通常占有极大的比重，甚至可决定工程周期的长短。其中又以运动副为工作的重点，运动副的优劣又是由各种轴承的质量好坏来衡量，而轴承质量的保证是由轴瓦的研磨工艺的正确应用、灵活掌握和对实施结果的判断来决定，特别是曲轴的主轴承和连杆轴承的修理质量，而曲轴的臂距差则更有赖于用轴瓦的研磨来调整和控制。所以说，轴承研磨的成败具有重大的意义。
1 研磨工艺前期准备
轴承研磨前期准备工作的充分与否直接影响着研磨工作的质量和能否顺利进行，应给予足够重视。
除准备一套必要的工、量具外，首先应检查曲轴箱平面的变形情况，再检查各档主轴承孔在拆卸过程中是否有碰伤、突起、擦毛等缺陷，并加以消除。有条件的还应检查主轴承座孔的同轴度。对要更换的新轴瓦在除油（锈）清洗后，应检查其背壳是否损坏、腐蚀、拉毛、变形，合金是否和壳体剥离、龟裂。如是铜铅合金应检查合金是否存在偏析。然后用小锤轻轻敲击钢背壳体，鉴听其声音是否清脆、悦耳，如有沙哑之音不应使用。再将轴瓦放在轴径上试一下，检查开口处内径是否比轴径小些，轴瓦顶部和轴径之间应有一些空隙，开口处内径比轴径大的最好不用。用专用工具检查轴瓦开合面过盈量和轴瓦的自由弹势，失去自由弹势的轴瓦不能保证和座孔的良好接触。然后在座孔内涂上色油，将轴瓦装于座孔中用压板压紧，稍等片刻松开压板取出轴瓦，检查瓦背色油分布情况判定其互相贴切程度。一般要求达到至少60的均匀接触面。对于旧轴瓦尚应检查剩余合金厚度，应不小于原设计厚度的7075，否则应更换新瓦。止推轴承还要检查反唇合金厚度或曲轴轴向窜动量，超过极限间隙者应更换或重新浇注合金。
压紧螺栓，螺母应用软套管套住，防止在工作中碰伤曲轴轴径。另外要强调的是曲轴轴径在未研磨轴瓦之前应修理合格，如圆度、圆柱度、锥度、粗糙度等要符合有关技术标准要求；磁力探伤后要检查是否有剩磁；曲柄之间应用双头螺栓顶紧，防止曲轴在频繁的起吊过程中变形；吊绳捆绑部位要用布包扎好。
曲轴放置在木支架座上，以确保曲轴安全。
刀具和油石是研磨好轴承很重要的一环。在实际工作中若油石选择不当，研磨时会磨出凹凸不平的刀刃，刮出的轴瓦似梳子梳过一样，有明显的沟痕。油石应选择硬度大，粒度细的。
2 研磨工艺分析
2.1轴瓦研磨的纹理结构型式
轴瓦研磨首先要确定研磨刀痕纹理结构的走向。
刀痕纹理既不应与轴心线垂直，也不应平行，而是与轴心线构成某一角度的网状纹理。这种纹理结构不但易于形成密集的、分布均匀的“芝麻点”（研磨痕迹），而且这种“芝麻点”便于对轴瓦和轴的接触质量作出判断，还能纠正因单一方向刀痕造成的倾向性错判。应避免那种不讲究纹理结构、杂乱无章的研磨方式。因为单一方向的研磨方式和杂乱无章的研磨方式都容易造成倾向接触（越低洼处接触越密），而发生错误的判断，造成研磨失败。
轴瓦纹理结构的形成可首先选择某一方向均匀地研磨一遍，形成第一刀痕；下次再转变一定角度均匀研磨第二遍，使之基本形成“菱形网状纹理结构”。按此模式多次反复研磨之后就可以全面形成重叠的、互相渗透的、多层次的“菱形网状纹理结构”。
“菱形网状纹理结构”不但能较快达到接触点技术要求（一般要求达到25mm×25mm面积有45个接触点），实践经验表明这种纹理结构有效提高了轴承的承载能力、耐磨性、嵌藏性，又可增加轴承的贮油能力，改善柴油机起动时的初始润滑功能和工作条件。在柴油机正常运转中有效减缓润滑油的流失，增加润滑油在轴承中滞留时间。对润滑油膜的形成、最薄油膜的保持和润滑油压力的保持都起到重要作用。“菱形网状纹理结构”是一种较理想的纹理结构。
轴承研磨质量是否良好，要由多方面技术标准来衡量，如触点的均匀性、分布比例和分布密度等。
2.2轴瓦研磨的区域划分原则和分析
轴瓦在实际工作中各部位的负荷、作用和条件是各不相同的，可以按照“三区五块制”的轴瓦纹理结构的研磨概念，在实际的研磨工艺过程中分别采取不同的研磨工艺处理，以适应轴承各部位不同工作条件的要求。
根据轴瓦在实际运转中各部位的工作状态、负荷大小、对润滑油的影响及要求等差异，可分成三个区域、五块组成为最佳。其结构是：承压区、油楔压力形成区和碗口区。
1）承压区（主负荷区）对柴油机而言，承压区是以气缸纵中心线为界面的左右对称20°－30°范围内的区域，承受气缸中燃气对它的作功（压力）。
2）油楔压力形成区。
由曲轴轴瓦左右对称的两块组成一区，其区域范围从轴瓦的垃圾槽起延至除承压区和碗口区以外的所有部分。在形成油楔力过程中，对不可逆转的柴油机它是单边起作用，对于可逆转的柴油机是双边起作用。
3）碗口区（机油压力保持区）由一边的垃圾槽两端起沿半圆周至另一边垃圾槽的两端止的条状区域，也是由首尾对称的两块组成。实际上承压区和碗口区部分是互相重叠的。
现逐一分析各区域的工作环境、条件、作用及在轴瓦研磨工艺中应采取的技术对策和实施手段。
1）承压区从柴油机作功方式可知，不论其功率大小，转速高低，机型各异，结构差别，总的来看，其供油正时都在活塞（压缩冲程）上止点前30°至5°范围之间，排气阀开启正时基本位于活塞（排气冲程）下止点前80°至20°范围之间。
从柴油机供油和燃烧规律可知，不论采用何种燃烧方式，由于柴油燃烧都需要一个物理过程和化学反应过程，故存在一个滞后角，即都比供油始点落后，从燃烧压力上升至压力开始下降（排气阀开启始点）主要作功冲程都在活塞上止点至下止点前80°至20°范围之间（实际还要延迟一些），即都在活塞上止点后附近。若考虑轴瓦实际承受负荷是从压缩冲程起作用（一般柴油机压缩冲程终了时的压力约为最高爆发压力的2/3左右），轴瓦承受负荷时刻基本位于活塞上止点前10°至下止点前80°到26°之间。
这时活塞组通过曲轴对轴承（主轴承为下瓦，连杆轴承为上瓦）施加压力，轴承承受负荷的区域恰好落在以气缸纵向中心线中介面的圆周角40°至60°之间。这就是柴油机轴承在运转中承受最大负荷的部位：“承压区”。
轴承的“承压区”不但要求其材料有足够强度（承载能力）及其他相应性能，如顺应性、减磨性、嵌藏性、亲油性、粘合性等，而且要求有尽可能大的均匀接触面积。沿海修船科技情报网上海分网制订的《修船重点项目工程技术要求》中就规定：主轴颈和厚壁主轴承下瓦的接触角应在气缸中心线左右两侧40°－60°的范围内且均匀接触，连杆大头轴承上轴瓦和小端轴承下轴瓦的接触角应在连杆中心线左右两侧45°-60°的范围内俱应均匀接触。
轴瓦要具备足够的载荷面积和形成稳定的、良好的油膜条件，使轴颈和轴承处于完全的液体润滑状态，这就要求轴承除了具有适当的间隙外，还要该区域内接触点面积能达到25mm×25mm范围内有45个分布均匀的接触点。同时网络纹理结构要好，且触点表面应乌黑光亮，有一种坚实感。从中心向两边逐步推移过渡，触点痕迹由清晰逐渐变模糊，坚实感逐渐减弱。
2）油楔压力形成区60°以外区域由于进气阀门的初关闭和排气阀的始开启，气缸中压力由于压缩初期升高缓慢和排气急剧下降，此区域承受压力较轻，对负荷来说已不是主要负荷区。但是，该区域对于“油楔力”的形成，使轴颈在运转中被油膜浮起使之与轴承脱离接触而保持完全的液体润滑起着极其重要的作用。
轴和轴承之间能否形成完整油膜，“油楔力”能否将曲轴浮起来，产生必要的油隙使柴油机安全可靠地工作，就全靠研磨工作中对“油楔压力形成区”研磨工艺的正确掌握和工艺实施结果决定了。
柴油机停止运转时，轴颈与轴瓦是互相接触的，轴颈和轴承内孔中心线处于偏心状态，形成一个月牙形间隙。而从轴承开合面处至轴瓦底部和轴颈则形成“楔形油隙”，其空隙贮藏着剩油，当润滑油在轴颈带动下产生一个很大的“油楔力”将轴颈浮起使之与轴瓦迅速脱离接触，形成一个同心圆油隙，轴颈处在油膜包裹之中，柴油机工作处于安全状态。
如果“油楔压力形成区域”研磨不正确，难于迅速形成“油楔力”甚至破坏“油楔力”的形成，就会造成轴与轴承不能脱离接触而得不到充分润滑，势必导致轴承烧毁的严重事故。
轴瓦的“垃圾槽”通常设计成一个小直径的和轴承中心线构成大偏心的弧坑。它和轴承内孔是相交不相切的一段弧形凹槽。对轴承内的油流形成一个突变台阶。如果在研磨轴瓦时不给合理改造，曲轴运转时就很难使润滑油迅速形成“油楔力”，曲轴在初始运转阶段就很难得到正常润滑。为了解决这一问题，必须从“垃圾槽”下边缘起至“承压区”上边缘上的整个区域由重到轻刮去一部分合金，造成从“垃圾槽”至“油楔压力形成区”接近相切的过渡面。“油楔压力形成区”在整体研磨痕迹上表现为：从“承压区”向上逐步由乌黑发亮→黑色→模糊痕迹→小量模糊痕迹→无痕迹。轴颈和轴瓦构成理想的楔形油隙。“油楔区”的横剖面投影是一个完整的楔形，这就是“楔压力形成区”。
3）碗口区实践证明，“碗口间隙”对于润滑系统压力的保持至关重要。“碗口间隙”失控严重时甚至会导致整个润滑系统的失压，造成柴油机的严重烧毁。所以，如何保证“碗口间隙”是轴瓦研磨工艺又一项重要工艺技巧。
“碗口区”研磨工艺技术要求有它的特殊性。至少在主轴承的下瓦半圆周上是如此。它的研磨痕迹表现为单一的，保持均匀黑亮触点的狭窄接触带。在实际研磨工艺操作中要特别控制合金的刮削量，时刻保持研磨的“硬”点接触。切忌刮塌“碗口区”或刮成同“油楔压力形成区”一样。特别要指出的是“碗口区”最容易被刮塌的部位在于“垃圾槽”的两端封堵岸壁。其原因是这部分最先和轴颈接触，它直接影响着轴承的研磨进度，一般人往往会错误采取大刮削量作法，企图加快轴承下沉速度而有意识或无意识地刮塌“垃圾槽”的封堵岸壁，破坏“垃圾槽”的贮油功能，造成润滑油的大量流失而导致润滑系统失压，酿成柴油机严重事故。而正确的工艺应是小量、多次刮削四角的封堵岸壁合金，注意保持封堵岸壁和轴颈的“硬”接触。观察其研磨痕迹应是乌黑发亮，在轴与轴瓦研磨过程中应有一种“抱轴感”，这是轴承研磨成功的工艺技巧之一。
一般来讲，主轴承研磨工作量主要在下瓦（连杆轴承则在上瓦），上瓦的要求则相对较低。如果轴承没有垫片，轴承间隙的调节就要用研磨上瓦来实现了。但“油楔压力形成区”应和下瓦一样多刮削一些合金。
2.3轴瓦的研磨与臂距差的调整
对柴油机主轴承研磨工艺来讲，轴瓦的研磨一定要和曲轴臂距差的调整密切结合在一起考虑，同步施工。也就是说要处理好臂距差的调整、控制和轴瓦研磨的关系，切忌分别施工，这点非常重要。因为臂距差的大小是否符合技术要求，全靠用研磨轴瓦来求得解决，别无它途。
臂距差的调整在一般情况下，是下轴瓦底部开始与轴颈接触就着手进行检查臂距差的量值。争取臂距的调整和轴瓦的研磨同步完成。曲轴臂距差的调整实质上是对轴瓦的研磨量、研磨部位和研磨方向的调整。此时切忌见触点就刮而不加分析的盲目做法。
曲轴臂距差的调整虽然在理论上可根据所测得臂距差数值和符号用作图法来确定哪道轴瓦应该刮，研磨量是多少。但由于作图法比较繁琐、复杂，一般人难以掌握。而且每研磨一次要重新测一次数据，重新做一次图解，施工时很难准确掌握要求应刮掉的量值，达不到作图的目的，故在实际中极少使用。而最普遍的工艺作法是采取用现场测量曲轴臂距差的上、下、左、右四个开档值及符号，结合轴瓦研磨触点的密度、分布位置、坚实感等资料进行现场分析。再与各次测得的臂距差量值的变化大小和趋向进行对比，找出其变化规律，确定哪道轴承需要刮，刮哪些部位，刮削多少。试图用找出一次性刮削量来完成臂距调整和研磨工作是困难的或不现实的。
如果研磨过程中出现臂距差异常，或经过多次研磨臂距差不变或向坏的方面变化，这时应采用逐道提升曲拐的方法来检验或同时以曲轴箱平面为基准面检查各档轴瓦的实际高低来验证研磨是否正确（悬挂式主轴承此法不宜），经进一步分析后再确定研磨措施，因为有时会出现某种倾向性接触。总之，在施工中应做到数据测试、收集要准确全面；分析要科学、细致；方法要多种；手段要灵活；步骤要稳妥，做好现场试验。经过多次反复分析和研磨（不是简单重复）就一定能达到调整、控制臂距差的目的。这里必须强调的是千万不可机械照搬前文所述，研磨完轴瓦后再来调整臂距差，这不但会增加工作量，还可能由于臂距的调整需要造成轴瓦的过量刮削而使轴瓦合金厚度不足，导致返工甚至报废。
还须特别注意的是飞轮端最外一道轴瓦要做特殊处理，切勿满足于所测得的臂距差值。因为挂装飞轮后，由于飞轮重量的影响而出现臂距差超差，这点要充分估计。一般是将最后一缸的臂距差有意给一个差值Δ，也就是预先给一个反变形值。由于各种柴油机飞轮重量不同，不能套用某一定值，经验会有助于解决这个问题。
在轴承研磨过程中最容易忽视的，就是轴承反唇部位的研磨。在一些柴油机中有反唇的轴承往往是止推轴承，是限制曲轴轴向窜动量的唯一部件。
曲轴的轴向间隙是由它来控制和调整的，要小心对待。在轴瓦研磨和臂距差都达到技术标准要求后，应立即着手测定曲轴轴向间隙，根据间隙大小刮削反唇部位使之轴向间隙控制在技术要求的范围内。反唇的研磨相对比较简单，要注意的是在研磨过程中容易将反唇刮倾斜造成只有局部接触而加速磨损，会造成柴油机曲轴轴向窜动量的过早超差。曲轴轴向窜动量的严重超差也会影响柴油机的安全运转。
轴承的研磨是整体进行的，各区域的不同技术要求是同一工艺过程同时形成的。轴瓦的技术要求是一个有机整体，切勿机械地将各区域的不同技术要求绝对化，将各区域人为分开是不妥的。
3 结束语
轴承的研磨质量直接影响柴油机的运行工况，而轴承的研磨又是一门精度要求高，工艺复杂，较难掌握的高精工艺。除了要有高度责任心更要有丰富的实践经验，熟练的技巧，还要具备严谨的分析的能力。通过实际探索提出的“三区五块制”的轴瓦纹理结构的研磨概念，已在修造船实践中积累了有益的经验。 |
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