某低速机曲轴轴颈磨损分析

低速柴油机曲轴整体尺寸较大，并且由于冲程较长，曲臂的尺寸也会较大。因此在曲轴旋转过程中，曲轴整体以及各曲拐处都会产生较大的变形。曲轴的变形会对曲轴强度和轴承磨损产生很大的影响。因此在低速机设计规范中对曲轴的变形都有严格的规定。某型低速柴油机在主机勘验过程中，发现主机曲轴前端法兰轴向减振器位置处轴颈损坏，轴向减振器位置如图1所示，轴向减振器位于调频轮侧，轴颈处距离曲轴前端面法兰278mm。图1曲轴轴颈磨损位置轴向减震器壳体受损处位于下壳体正下方即偏排气侧一侧，上壳体无损伤。轴颈处产生宽度约为30mm的伤口，其中轴向减振器轴颈破坏情况如图2所示。图2曲轴轴颈破坏图初步推断可能由于勘验过程中调频轮侧轴瓦拆除后旋转曲轴过程中产生的大变形导致。为了对其验证，采用仿真分析的方法，计算曲轴在勘验过程的变形情况，判断曲轴轴颈磨损原因。一、有限元分析1、模型描述曲轴组件的三维模型如图3所示。图3曲轴组件三维模型曲轴的一侧为飞轮，另外一侧为调频轮，在调频轮的内侧与第1#曲拐之间位置处安装有轴向减振器。根据图纸和相关技术文件，各部件的材料参数及质量参数如表1所示。其中调频轮的质量约为17113kg。2、边界条件及载荷本次计算的有限元模型如图4所示，主要包括飞轮、曲轴、调频轮和轴瓦，其中调频轮侧第1#主轴承轴瓦已经拆除。图4有限元模型有限元模型单元数为478432个，节点数为771713，曲拐处单元类型为C3D10M，主轴颈和曲柄销处单元类型为C3D15，轴瓦的单元类型为C3D20。计算过程中将主轴承轴瓦外表面进行固定约束。曲柄销处进行耦合加载连杆和活塞组件的重量(49722.68N)，方向竖直向下，同时，整个模型加载竖直向下的重力加速度（9800mm/s²)。3、计算结果主机在勘验过程中，在轴向减震器下壳体拆除的状态下，安装百分表指向调频轮，百分表的位置在调频轮下方中间与外边缘中间处。将调频轮顶高1.5mm后拆除第1道主轴承下轴瓦，顶升工具拆除后，百分表实测调频轮落下4.3mm，则调频轮相对第Ⅰ道主轴瓦拆除前下垂值约为2.8mm，调频轮发生了较大的向下变形。此时对应的调频轮侧第一曲拐盘车相对水平位置约为143°。盘车角度示意如图5所示，图中左侧为排气侧，右侧为燃油侧。图5盘车角度示意图有限元计算盘车角度143°时，曲轴的下垂量结果如图5所示。图6曲轴下垂量结果从图中可以看出调频轮边缘处最大下垂量约为2.901mm，调频轮下方中间位置处下垂量约为2.491mm，对应现场测量位置处的下垂量约为2.7mm，可见调频轮下垂量计算结果与现场测量结果2.8mm基本一致。现场测量时,由于空间的限制，无法测量轴向减振器轴颈处的下垂量值，从有限元计算结果可得轴向减振器轴颈处的下垂量值约为1.68mm。从图纸尺寸要求，轴向减振器处曲轴轴颈与轴向减振器下壳体之间的间隙为(2.4±0.2)mm，轴向减振器轴颈处的下垂量值小于相应的间隙值，因此在盘车角度为143°时，轴向减振器轴颈与壳体不会发生干涉。实际勘验中，轴颈和轴向减振器下壳体发生破环，可能由加工精度或安装精度造成，今后应在安装完成后测量轴颈配合间隙，使之满足设计要求。二、曲轴盘车过程变形分析为了分析得到曲拐处在什么盘车角度时调频轮前端的理论下垂量最大，需要分析盘车一周内曲轴的变形情况。因此对曲轴组件盘车一周内进行仿真计算，得到一周盘车角度下曲轴各处的位移结果。图7各盘车角度曲轴下垂量结果将各盘车角度下，曲轴调频轮侧的下垂量结果和调频轮边缘处的下垂量结果整理如图7所示，从图中可以看出调频轮和轴向减振器轴颈处的最大下垂量值均出现在盘车角度为90°处，0~180°区间与180~360°区间基本对称。其中调频轮边缘处最大下垂量为3.406mm，轴向减振器轴颈处最大下垂量约为2.026mm。轴向减振器轴颈处的最大下垂量值小于图纸中要求的间隙（2.4±0.2)mm，因此理论上曲轴轴颈与轴向减振器下壳体不会发生干涉。可见理论上调频轮轴颈处在勘验过程中不会与曲轴前端法兰干涉而发生磨损。三、第1#曲拐对调频轮下垂量的影响分析曲轴调频轮侧的下垂变形规律与调频轮侧第1#曲拐关系密切，因此下面研究第1#曲拐对调频轮下垂量的影响规律。仅考虑第1#曲拐对调频轮下垂量的影响，有限元模型只包含第1#曲拐和调频轮两部分。计算中将第1#曲拐左侧截面处固定，然后施加相应的重力载荷，计算曲轴盘车一周调频轮的变形结果。其中曲轴盘车角度为0、90、180和270°时对应的竖直方向下垂结果如图8所示。图8调频轮侧单拐竖直方向位移云图从图中可以看出，盘车角度为0、90、180和270°时相应的调频轮的最大下垂量分别为1.744、2.18、1.744和2.183mm。可知盘车角度为0°~180°区间与180°~360°区间对应的调频轮最大下垂量呈对称分布。将单拐模型盘车一周过程中调频轮下垂量的结果与整体曲轴模型计算结果对比如图9所示。图9仅考虑1#曲拐影响的调频轮下垂量对比从图中可以看出，调频轮下垂量趋势相同，在0°~180°区间与180°~360°区间呈规律性变化，可见这种规律性的变化主要由第1#曲拐引起。今后在盘车角度选取时，可采用单拐模型进行计算，实现盘车角度快速评估。四、结论对主机勘验过程曲轴组件的变形情况进行仿真模拟，并对各处的变形结果进行分析，可以得到如下结论:(1)曲轴盘车过程中，盘车角度为143°时调频轮下落约2.8mm，仿真计算结果与现场测量结果一致。(2）通过对盘车一周进行仿真分