柴油机曲轴臂距差检测及影响因素分析剖析Word格式.docx

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2.4曲轴臂距差与曲轴轴线状态的关系4

2.5臂距差的标准值5

第三章臂距差测量工具与方法7

3.1测量工具7

3.2测量位置的选择9

3.3结果记录及计算10

第四章船舶柴油机曲轴臂距差影响因素分析与对策12

4.1影响因素简介12

4.2轴系校中对臂距差的影响及对策12

4.3柴油机垫块对臂距差的影响及对策13

4.4主轴承磨损不均匀对臂距差的影响及对策14

4.5大重量飞轮对臂距差的影响及对策14

4.6气体力与活塞运动装置对臂距差的影响及对策15

4.7船舶装载对臂距差的影响及对策15

4.8柴油机曲轴温度对臂距差的影响及对策16

4.9机座塑性变形对臂距差的影响及对策17

第五章总结与建议18

致谢19

参考文献20

附录21

摘要

曲轴中心线的校中状态直接决定了柴油机的工作状况，同时影响船舶安全。

船舶航行过程中，轮机员通过臂距差的检测来确定曲轴的轴线状态。

本文从柴油机曲轴臂距差的基本知识入手，介绍了曲轴轴系特点和臂距差检测在实际运用中的意义，曲轴臂距差的概念和曲轴臂距差与曲轴轴线之间的关系。

并详细介绍了不同组织设定的臂距差标准值，从测量工具的选择，测量位置的选择，测量结果的记录与计算详细阐述了当今检测臂距差的主流方法。

从柴油机状态，工作环境，外界环境等八个方面详细解释了影响柴油机曲轴臂距差测量结果的因素。

并由此提出一些解决方案。

从而达到简化测量，精确测量，降低轮机管理人员工作强度，改善柴油机曲轴工作状态，延长柴油机使用寿命的目的。

关键词:

曲轴，臂距差，检测，影响因素

Abstract

Thealignmentofthecrankshaftdirectlyaffectstherunningstatusofthedieselengine,whichaffectsthesafetyofthenavigation.Dieselenginecrankshaftdeflectionshowsthestateoftheaxisthecrankshaft.Duringsailing,thestateofthecrankshaftalignmentcanbeconfirmedbytestingthedeflectionofthecrankshaft.Thispaperstartswiththebasicknowledgeofthecrankshaftdeflection,introducesthecrankshaftsystem,thesignificanceofthecrankshaftdeflectiontesting,theconceptionofthedeflection,therelationshipbetweendeflectionandcrankshaftaxis,thestandardvalueofthedeflectionsetupbydifferentorganizations.Themainstreamapproachtotestingthedeflectionisdescribedindetailsfromselectingthemeasuringtools,measuringposition,recordingandcalculatingthemeasuringresults.Atlastthepaperexplainstheinfluencefactorsindetailfromdieselenginestate,workingenvironment,outsideenvironmentandotherfiveaspectsandputforwardsomesolutionstotheseinfluences.Finally,thesolutionscansimplifythemeasurementandmakethemeasurementmoreaccurate,reducetheworkintensityofengineers,improvetheworkingconditionsofcrankshaftandprolongtheservicelifeofthedieselengine.

Keywords：

crankshaft,deflection,testing,influencefactor

第一章前言

曲轴能否正常工作直接影响柴油机是否可以安全运行，曲轴的任何故障将影响船舶和船员的生命财产安全。

曲轴的工作状况极其复杂多变，曲轴在周期性变化的可燃油气混合物作用力、往复直线运动和旋转运动惯性力以及它们力矩作用下工作，承受着复杂的弯曲、扭转应力。

曲轴的工作运动速度很快，工作比压非常大，且工作过程中存在滑动摩擦。

曲轴在实际工作中工况一直改变，无法保证始终处于液体动压润滑，特别是当润滑油中有固体杂质和腐蚀性杂质时，曲轴工作表面会发生强烈的磨料磨损和腐蚀磨损，导致曲轴无法正常工作。

除此之外，柴油机曲轴具有多变的内外部结构，其内外部结构变化急剧，在急剧变化处产生了严重的集中应力。

曲轴轴颈、曲柄臂和油道开口附近区域是曲轴应力集中最严重的部位。

曲轴轴颈和曲柄臂的连接过渡区域最容易出现由于弯曲疲劳破坏而产生的裂缝，大概以45°

角折断曲柄臂。

曲轴表面会有油道开口，油道开口附近区域若加工过于粗糙，易产生扭转疲劳裂缝，大概成45°

角扭断曲柄销。

曲轴各个部位受到的力的作用不同，通过统计资料我们可得知，在曲轴损坏中主轴颈损坏占10％，曲柄销损坏占34％，曲柄臂损坏占56％。

因此保证柴油机曲轴正常工作需从降低曲柄臂损坏率开始，而降低曲柄臂的损坏率需要定期测量曲轴曲柄臂距差。

对于作为商用船舶主推进动力装置的柴油机来说，曲轴的任何故障是极其致命的，由于在航行途中受客观因素的限制，故障难以排除，易引发影响船舶安全的事故。

目前我国应用范围最广的检测柴油机曲轴曲柄臂的方法是检测柴油机曲轴的臂距差，工作人员可以通过拐档表检测曲轴的臂距差从而推断出曲轴的工作状态。

在实际工作中，轮机员需要时刻注意柴油机臂距差值，通过消除造成臂距差不符合标准的各种因素，使柴油机曲轴的臂距差保持在规定的合理的范围内。

因此必须对影响柴油机曲轴臂距差的相关因素详细进行定性、定量的分析研究，包括柴油机曲轴的设计、安装，到营运过程中维护保养以及货物配载、工作温度、风浪等等各种主客观因素。

由于船舶自身工作状况和航行条件的复杂性，因此还有很多其它影响臂距差的因素，如船舶自身温差、大气温差、船舶坞修时支撑物的反作用力、自然灾害事故等都会导致曲轴臂距差发生变化。

第二章船用柴油机曲轴和臂距差

2.1曲轴的工作状况

柴油机曲轴汇集各个汽缸活塞组件做功，并将活塞组件的往复运动转化为其自身的回转运动，向外输出功率以带动螺旋桨、发电机以及柴油机的附属设备（喷油泵、气阀、凸轮轴等），是柴油机功率输出的总枢纽。

曲轴的外部形状变化十分急剧，可以看作由若干个彼此相错的曲拐组成，每个曲拐又分为轴颈、曲柄销、曲柄臂三部分。

急剧变化的内外部形状导致应力集中，曲轴油道开口周围、主轴颈至曲柄臂连接过渡部分是曲轴应力集中最严重的部位[1][2]。

曲轴主轴颈底部到曲柄臂间的过渡区域易发生弯曲疲劳裂缝，大概成45°

另一个方面，由于柴油机曲轴多采用压力润滑，因此在曲轴内部设计有复杂的润滑油油道，在曲轴表面有油道开口，油道开口处若机械加工不良，易产生扭转疲劳裂缝，大概成45°

而且曲轴的工作运动速度很快，工作比压非常大，且工作过程中存在滑动摩擦。

由于柴油机曲轴所用润滑方式为流体动压润滑，主轴颈与主轴承以及曲柄销和连杆大段轴承在工作中运动速度很快，工作比压非常大，因此使曲轴会产生滑动摩擦，特别是在有冲击、润滑不良、机座船体变形、启车、停车时更为严重使轴颈产生较为严重的磨损。

曲轴各段轴系以及轴系与柴油机曲轴之间一般用法兰刚性连接，曲轴轴系要求各段轴的轴线在同一条直线上，即对轴系的校中质量要求较高，轴系校中质量的好坏直接影响船舶主机的正常运转[3][4]。

2.2臂距差检测的意义

曲轴依靠位于机座上的主轴承支撑，由于诸多不确定性因素的存在，因此无法保证各轴承均匀磨损或者是船体不发生变形，主轴承的中心线的一致性也无法得到保证，因此导致曲轴中心线发生弯曲。

曲轴轴线发生变形后表示曲轴会有某一个或者某几个曲拐拐档差超出标准值。

由于曲轴在实际工作中工况一直改变，因此应力集中部位会发生扭转或者弯曲疲劳破坏，甚至发生曲轴断裂事故，臂距差数值的大小与曲轴疲劳破坏的情况成正比。

通过统计资料我们可得知，在曲轴损坏事故中，主轴颈事故占10％，曲柄销事故占34％，曲柄臂事故占56％。

因此保证柴油机曲轴正常工作需从降低曲柄臂损坏率开始，而降低曲柄臂的损坏率需要定时测量曲轴曲柄臂距差，保证曲轴臂距差在规定的标准范围之内。

表1是曲轴臂距差超限引起曲轴断裂的实例。

曲轴臂距差的检测是目前检验曲轴及其轴系轴线状态的一种通用方法，臂距差作为一个非常重要的参数，它能准确地反映出曲轴及其轴系轴线的挠曲情况以及曲轴的整体工作性能和状况。

曲轴臂距差数值的大小直接影响曲轴的寿命与可靠性，但是臂距差的数值只能反映曲轴及其轴系非塑性弯曲变形的状况，不能反映曲轴及其轴系的塑性弯曲变形的状况，曲轴及其轴系的永久弯曲状况需通过测量其跳动量来了解[5][6][7]。

2.3臂距差概念

曲轴由多个曲柄部件、飞轮端、平衡块、自由端等组成。

结构如图2.1：

曲轴中任意两个相邻的曲柄臂间的间距即臂距，当相邻曲柄臂间的曲柄销位于0º

、180º

时或者位于90º

、270º

时，臂距的差即为臂距差。

当今行业中对臂距差的正负值没有统一的规定，但通常在船舶维护和管理过程中我们进行如下设定：

曲柄销在0º

位置时，两相邻曲柄臂间的臂距为L上，曲柄销在180º

位置时，两相邻曲柄臂间臂距为L下，△⊥垂直平面内的臂距差值，臂距差值则为△⊥＝L上－L下。

同理曲柄销在270º

位置时，两相邻曲柄臂间臂距为L左，曲柄销在90º

位置时，两相邻曲柄臂间的臂距为L右，△－表示水平平面内的臂距差值，则△－＝L左-L右，当△＜0时，臂距差为负值，当△＞0时，臂距差为正值，当△=0时，臂距差值为零[8]。

而且曲轴的工作是以很大的相对速度转动，曲轴在实际运行中工作状况一直改变，因此曲轴曲柄臂间的臂距差值也是一直改变的，曲轴的弯曲程度与曲轴曲柄臂间臂距差值成正比[8]。

因此曲轴曲柄臂间臂距差值的大小可以表示曲轴的弯曲程度[9]。

2.4曲轴臂距差与曲轴轴线状态的关系

由于主轴承下瓦的高低直接影响曲轴中心线的状态，因此通过测量曲轴的变形情况即测量曲柄销位于0º

时的臂距值便可以了解曲轴中心线的状态，那么各道主轴承下瓦的磨损情况也就清楚了，如表2所示。

柴油机曲轴的臂距差值大小表示了柴油机曲轴中心线的弯曲程度。

如果曲柄销位于0º

时的臂距值大于位于180º

时的臂距值，即△⊥＞0时，曲轴的轴线呈向下弯曲的弧线[10]；

反之，当曲柄销位于0º

时的臂距值小于曲柄销位于180º

时的臂距值，即△⊥＜0时，曲轴轴心线呈向上弯曲的弧线[10]，如图3.3所示。

2.5臂距差的标准值

因为柴油机曲轴臂距差值体现了柴油机曲轴中心线的弯曲情况，而柴油机曲轴中心线的状况决定了柴油机曲轴的工作状况，所以国内有关部门根据船舶航行区域和船舶具体情况对柴油机曲轴臂距差值制定了相关标准。

如表3所示。

国外的海事监管部门和柴油机生产厂商也对臂距差值制定了详细的规范。

如表4、表5所示。

表4.国外著名船级社对船用柴油机曲轴臂距差的规定值单位：

毫米

注：

S为活塞行程

第三章臂距差测量工具与方法

3.1测量工具

3.1.1拐档表

目前我国航运业和造船业广泛使用的用来测量船用柴油机曲轴臂距差的仪器是拐档表，拐档表的主要零部件有：

拐档表显示表盘、平衡配重、用于调节伸缩的螺栓和接管、测量头（图3.1）。

拐档表的测量测量头可以通过调节螺栓来自由调节长度，通过与接管配合使用可以扩大量程使拐档表可以在不同型柴油机臂距差检测中通用，虽然拐档表通过使用不同的附件可以测量不同型号柴油机，但是为了保证测量精度，目前国内外柴油机生产厂商都在柴油机配套附件中附带一套拐档表，只用于测量指定柴油机的曲轴臂距差。

拐档表显示表盘附带有平衡配重，使显示表盘在测量过程中不会背对测量人员，简化测量过程。

值得注意的是，曲轴在工作过程中其两曲柄臂间的距离不停变化，实际应用中拐档表测量的是运行中的柴油机的曲轴臂距差，曲轴中心线随曲轴变化而发生改变，因此其测量数值为相对值，并不是曲轴位置不发生的改变时的绝对值。

拐档表测量出的数值与曲轴中心线的形变有直接关系。

当曲轴中心线向上弯曲时，测量出的臂距差数值为负值，曲轴中心线向上弯曲程度越大，其数值越小；

当曲轴中心线向下弯曲时，测量出的臂距差数值为正值，曲轴中心线向下弯曲程度越大，其数值越大。

3.1.2线阵ccd位移测量系统

我国海军工程大学朱宝成、刘伯运等专家对船用柴油机曲轴臂距差测量仪器研制进行了深入研究，他们提出一套创新的测量方法：

运用线阵ccd位移测量系统测量柴油机的曲轴臂距差[11][12]。

如图3.2所示。

该系统由线阵ccd传感器、数据采集模块、计算处理系统、激光器、反射镜、光杠杆等组件构成。

使用该系统测量柴油机曲轴臂距差时我们把测量部件分为A、B两组，A组包括：

ccd传感器和激光器，B组包括：

反射镜、光杠杆、弹簧。

A、B两组部件分别固定在需要被测量的曲轴曲拐的两个曲柄臂内侧，通过一刚性连接将激光器和光杠杆相互连接起来。

测量过程中，曲轴转动，被测量曲拐的两曲柄臂间距离随之改变，激光器和光杠杆之间的刚性连接牵动光杠杆，光杠杆的相对位置发生改变，由图4.2可知，光杠杆通过弹簧与被测量曲拐的一侧的曲柄臂相连接，此时，光杠杆在刚性连接拉力和弹簧拉力的共同作用下会发生转动，反射镜固定在光杠杆上，光杠杆发生转动，反射镜也随之发生转动，反射镜的作用是将对面曲柄臂上激光器发射的激光通过反射作用反馈给ccd传感器，反射镜发生转动，反射镜反射给ccd的激光点的坐标也随之变化，ccd将接收到的激光点的信号传递给计算机，通过实现设定好的程序的计算便可以得出被测量曲拐的两曲柄臂间臂距差变化的精确数值。

该系统从设计理论上讲可以实现，也有实物试验件生产，具有测量范围大、测量结果精确等优点。

但是在实际应用中，该系统对于安装要求过高，部件过于精密脆弱，现场复杂的测量环境极易损坏测量部件，影响测量精度，且不适合在营运船舶上使用，目前没有生产价值，所以未投入生产。

线阵ccd光杠杆

数据反射镜

采集系统

激光器钢丝弹簧

L

计算机

图3.2线阵CCD位移测量系统

3.1.3国外数显测量仪

目前国外有多家公司生产电子曲轴臂距差测量仪表，其中最具有代表性的是德国的P.T公司。

P.T公司旗下的DI-4、DI-5型电子柴油机曲轴臂距差测量仪是其代表性产品，具有使用简单，测量精度高，对使用观景要求低等特点，经历多年的发展已得到广泛的认可，在欧洲、美洲等国家应用广泛。

图3.3所示DI-4c型柴油机曲轴臂距差电子测量仪。

图3.3DI-4C型臂距差电子测量仪

DI-4C型电子测量仪的精度为0.001mm，工作温度在0-800摄氏度，测量范围是±

2.048mm，测量距离是89-565mm，零位漂移平衡范围±

2.048mm。

DI-4C型电子测量仪具有多套不同型号的测量杆，可以做到一仪多用，打破传统拐档表为保持测量精度仅能用于指定柴油机的局面[13]。

除此之外，DI-4C型电子测量仪还可以连接计算机测量分析柴油机汽缸磨损量，用于计算汽缸圆度与圆柱度[14][15]。

DI-4C型臂距差电子测量仪的相关数据充分表明该测量仪在实际的测量条件下可以应对恶劣、复杂、多变的测量环境，操作简单易掌握，测量精度高，有很高的实用价值。

但是该产品在国内的应用很少，仅限于科研单位和一些大型发动机厂商使用。

主要是由于该产品在国内售价过高，阻碍了该产品的推广。

3.2测量位置的选择

目前我国使用最广泛的依然是机械式拐档表，因此本文以机械式拐档表为研究内容。

由于拐档表是安装在被测曲拐曲柄臂的中心线上即测量点在被测曲拐曲柄臂的中心线上，若测量点在曲柄臂中心线上移动，意味着测量点距曲柄销中心线的距离是改变的，因此臂距差的测量值是随着测量点的移动而改变的：

拐档表安装位置距离曲柄销中心线距离远，测得的臂距差值大。

基于以上原因国内外有关部门和柴油机生产厂商对测量点的选取都制定了详细而严格的规定，而且我们所执行的臂距差的标准值也是基于严格规范的固定测量点而制定出来的。

因此在船舶或者柴油机的相关技术文件中，除注明规定的执行标准值，同时还会指定测量点的规定位置，即测量点相对于曲柄销中心线的距离。

生产厂商一般在柴油机出厂前在该位置已做好标记（图3.4）。

曲柄销中心线与测量点a间的距离通常为：

（3-1）

目前大型低速二冲程柴油机多采用半套合式曲轴，这种曲轴体积巨大，在普通柴油机中选择的测量点a点紧挨曲轴套合连接处，测量起来十分复杂，不易操作。

因此在测量半套合式曲轴的臂距差时，生产厂商规定了另外一个测量点b点。

测量点b点与被测曲拐的曲柄臂开口距离更近、与曲柄销的中心线的距离更远，这个位置更加方便测量，由上段介绍可知，测量点b点的测量值大于测量点a点的测量值。

此时b点的测量值无法与臂距差的标准规范进行对比，因此需要将b点测量值转换为相应在a点的测量值才可以使用。

转换公式如下：

（3-2）

3.3结果记录及计算

3.3.1臂距差的记录方法

图3.5（a）（b）所示为：

未安装活塞连杆组件时按照曲柄销（臂距表）所在位置读数记录方法，曲轴回转一周，测量曲柄销位于0º

、90º

四个位置的臂距值并将读数记录于表格中。

图3.5（c）（d）所示为：

已安装活塞连杆组件时按照曲柄销（臂距表）所在位置读数记录方法，由于曲柄销位于下止点时，活塞连杆组件的位置恰好居中，无法安装臂距表测量下止点的臂距值。

因此在实际测量中用曲柄销位于下止点前后15º

，即165º

和195º

位置的臂距值a和e的平均值（a+e）/2代替下止点的臂距值，所以c=（a+e）/2。

盘车至曲柄销位于195º

处安装臂距表，将表的指针调零后依次测量195º

、0º

、165º

五个位置的臂距值并将读数记录于表格中。

3.3.2臂距差的计算

由于我国相关部门与国外船检机构和柴油机生产厂商规定的柴油机曲轴臂距差的计算方法不尽相同，详情见附录表1、表2。

3.3.3主轴承位置调整

如图3.6所示，斜线段I、II、III分别表示臂距差在柴油机曲轴管理、维修中的标准：

线段I以左包围的面积表示在理想状态下测量出的理想臂距差值；

线段I、II中间所包围的面积表示在臂距差值在此范围内属于正常状态，曲轴中心线状态正常，曲轴工作状况正常；

线段II、III中间所包围的面积表示臂距差值在此范围内已超出臂距差标准值范围，但仍处于可接受状态，需按照要求进行维修；

线段III以右所包围的面积表示臂距差值严重超出标准值，此时柴油机曲轴必须强制进行修理。

第四章船舶柴油机曲轴臂距差影响因素分析与对策

4.1影响因素简介

船舶柴油机曲轴因其工作环境、自身情况和外界影响因素复杂，导致臂距差也会受到多种不同因素影响。

作为轮机管理人员，对船舶柴油机进行维修、管理时，我们应该了解、掌握任何一项会影响到柴油机曲轴臂距差检测的因素，并根据实际情况下对现场具体情况的分析，综合分析各项潜在影响因素及未来发展趋势。

本章从柴油机垫块、大重量飞轮、主轴承磨损不均匀、气体力与活塞运动装置、船舶装载、柴油机温度状态、机座变形下沉九个方面详细分析了影响柴油机曲轴臂距差的因素，并根据其各项因素的特点和原因提出相应应对措施，从而保证船舶柴油机安全使用。

4.2轴系校中对臂距差的影响及对策

由于不同型号柴油机设计不同，轴系连接根据推力轴承的有无通常分为两种形式。

有推力轴承的柴油机，其连接方式如图4.1；

无推力轴承的柴油机，其连接方式如图4.2。

对于有推力轴承连接的方式来说，推力轴中心线和曲轴中心线需事先进行校中和调整，为曲轴良好运转提供基础。

目前使用的比较广泛的校中方法是将曲轴和推力轴分别置于两个固定的且分别独立的支架中，首先使两个法兰对齐，然后进一步用仪器进行精密调整。

两轴法兰外圆的位移和中心线的曲折代表了中心线同轴度的偏差，柴油机曲轴与推力轴的中心线位移偏差应不大于0.05mm；

曲轴中心线和推力轴中心线的曲折偏差每米应不大于0.10mm[16]。

曲轴和推力轴之间依靠法兰连接，由上段可知两轴法兰外圆的位移和中心线的曲折代表了中心线同轴度的偏差，曲轴和推力轴的同轴度存在偏差意味着曲轴存在形变，曲轴靠近连接法兰一侧的曲轴曲拐受到的影响最大。

我们可以使用刀口直尺测量同轴度偏差确定曲轴曲拐变形，方法为：

将刀口直尺安放于曲轴和推力轴的外表面，分别在0º

四个位置，用眼观察两者接触点处是否有光线露出，外部环境光亮较强时可在刀口直尺背侧用手电照射，用塞尺测量有光线泄露出处的间隙值，将所得间隙值经相关计算后可得出偏差值[17]。

偏差值决定了曲轴中心线的状态，曲轴的中心线的形变将直接影响相应曲拐曲柄臂距差值，两者间具体关系见3.1.1内容。

表6.是某轮轮于在船厂进行维修时所测数据。

从表中数据可以了解到连接法兰后末端曲轴臂距差值增大。

4.3柴油机垫块对臂距差的影响及对策

垫块是船舶柴油机安装时不可缺少的部件，主要安装在柴油机机座和船体面板间，起到固定柴油机机座和微调柴油机机座位置的作用，柴油机机座、垫块、船体面板三者间应保持紧密接触。

以金属为材料制成的柴油机垫块有多种形状。

不论何种形状的金属材料垫块，其上表面和柴油机机座下表面间的间隙都不可插入0.05mm的塞尺，若有某些特殊区域0.05mm塞尺可插入，在不接触到地脚螺栓的前提下，塞尺插入的深度必须小于15mm。

同理，依照