CN104002095B

CN104002095B - 一种大型半组合船用曲轴的装配方法

Info

Publication number: CN104002095B
Application number: CN201310058109.6A
Authority: CN
Inventors: 马志鸿; 刘超明; 冯军; 周焕军; 周俊栋; 许增祥; 严峻; 马炜; 王震宇; 杜胜宝; 宗亮亮; 许�鹏
Original assignee: SHANGHAI CRANKSHAFT FOR BOAT CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI CRANKSHAFT FOR BOAT CO Ltd
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-02-25
Also published as: CN104002095A

Abstract

本发明涉及一种大型半组合船用曲轴的装配方法，该装配方法将曲轴长度控制转化为垫块厚度的控制，而垫块厚度的计算方法分为两个阶段，首先，依据曲臂内开档尺寸、中间主轴颈红套部分长度尺寸、中间主轴颈红套挡环间距和曲轴的轴间距来计算中间主轴颈伸出量。其次，依据中间主轴颈红套部分长度、曲臂壁厚和经验值计算垫块尺寸。与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法将曲轴长度控制转化为垫块厚度的控制，简单方便，容易操作。采用该方法计算垫块，既消除了整根曲轴所有零件(曲臂和轴颈类)因加工尺寸不一致导致的曲轴伸出量的不一致，又能解决曲臂因加热冷却后变形对伸出量的影响。

Description

一种大型半组合船用曲轴的装配方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种大型半组合船用曲轴的装配方法。

背景技术

大型半组合船用曲轴是低速大马力柴油发动机最核心的部件之一，半组合式曲轴由曲拐、轴颈、推力轴、法兰轴几部分组成。曲轴制造流程主要包括真空冶炼、真空浇注、锻造、热处理、粗加工、红套和整轴精加工。这些流程中最关键的环节是如何制造具有良好冶金质量的锻件和如何将曲拐和轴颈等各部分连接在一起。实际过程中，在对各部分零件进行粗加工后，常常采用红套的方法将柴油机曲轴的各部分连接起来。

红套是利用金属的热胀冷缩原理，将曲拐红套孔加热使其胀大到一定的尺寸，快速将轴颈放入曲拐红套孔中，待曲拐红套孔冷却后抱紧轴颈。通过表面接触压力将几部分同质或异质材料永久连接地在一起，是一种既经济又可靠的重要连接方式。许多无法通过整体铸造或锻造方法制造的大型轴类零件，均采用红套方法实现各部分的连接。

目前广泛采用的红套方法：首先将曲拐放平，对曲拐的红套孔部位进行加热，红套孔发生膨胀，然后缓慢插入轴颈，直到轴颈上的挡环与放置在曲臂表面上的垫块相接触为止，最后整体冷却到室温，实现曲拐与轴颈之间的紧密连接，这个过程称为单套。然后，将所有单套在一起的各部分采用相似的红套方法连接起来，直到各部分曲拐和轴颈都被连接在一起，成为整体的曲轴，这个过程称为复套。而曲轴红套长度的控制即是通过垫块来控制的，通过垫块来控制曲轴的长度和轴颈的伸出量，也就是说垫块的计算方法是曲轴红套长度控制的关键。

与曲轴红套长度控制的重要性相反的是，目前关于这方面的定量分析却并不充分，目前通行的作法是根据轴颈红套挡环外长度减去曲壁壁厚，再减去1mm的伸出量即为垫块尺寸，该计算方式脱离了生产实际，忽略了零件的加工误差、加热后的零件尺寸变化等，整根曲轴红套后总长很容易出现超差现象，进而影响曲轴后期精加工的质量。但是目前采用上述计算方式的原因是：红套过程涉及零件加热和冷却过程，以及材料热膨胀变形、弹性变形和塑性变形，是一个耦合了传热、变形、接触等物理过程的综合问题。尤其对于像曲轴这样非轴对称的几何体来说，在加热冷却过程中存在很多不可控因素，并且不同型号的曲轴的曲臂变形量不同，导致曲臂冷却后伸出量大小不一，又兼整根曲轴所有零件的曲臂厚度和轴颈红套挡环外长度有一定的偏差范围，故此只能通过这样简单的计算方式来控制曲轴总长，而主要依靠后期精加工来弥补这种不足。

发明内容

本发明实施例的目的是针对现有技术结构上的缺点，提出一种大型半组合船用曲轴的装配方法。

为了达到上述发明目的，本发明实施例提出的一种大型半组合船用曲轴的装配方法是通过以下技术方案实现的:

一种大型半组合船用曲轴的装配方法，适用于曲轴上各曲拐和中间主轴颈、自由端轴颈以及输出端轴颈连接时的长度控制，其特征在于包括如下步骤：

A、在所述中间主轴颈、自由端轴颈以及输出端轴颈的外周面上加工绕其周向分布的挡环；

B、测量上述的各轴颈和曲拐的外形尺寸，包括：轴颈挡环外的外圆部分长度D，曲拐内开档尺寸DB，曲拐单臂厚DA，中间主轴颈两挡环外端面间的间距L；

C、基于曲轴的轴间距设计值B和上述步骤所获得的各测量值，计算中间主轴颈插入曲拐红套孔后的伸出量f，通过如下公式计算：f＝DB/2+D+L/2-B/2；

D、计算各支撑位置处的垫块的厚度h，根据如下公式计算：

用于所述曲拐与所述自由端轴颈或输出端轴颈之间连接的垫块厚度h＝D-DA-f'-y；

用于所述曲拐和所述中间主轴颈之间单套连接的垫块厚度h＝D-DA-f-x；

用于所述曲拐和所述中间主轴颈之间复套连接的垫块厚度h＝D-DA-f-y；

所述x的取值范围为0.1-0.8mm，所述y的取值范围为0.05-0.7mm，且所述x比y大0.05mm-0.1mm；

所述f'的取值为1mm；

E、根据上述步骤获得的各垫块厚度h，加工相应厚度的垫块，且每一支撑位置处的垫块的数量为至少三块；

F、加热曲拐使其红套孔内径胀大到红套要求，并将对应的垫块放置在该曲拐端面的支撑位置上，之后吊放轴颈插入曲拐红套孔中直至其挡环压迫所述垫块。

所述x的取值范围为0.2-0.6mm；所述y的取值范围为0.1-0.5mm。

每一支撑位置处的垫块的数量为三块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法将曲轴长度控制转化为垫块厚度的控制，简单方便，容易操作。采用该方法计算垫块，既消除了整根曲轴所有零件(曲臂和轴颈类)因加工尺寸不一致导致的曲轴伸出量的不一致，又能解决曲臂因加热冷却后变形对伸出量的影响。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明实施例中间主轴颈的结构示意图；

图2为本发明实施例曲拐的结构示意图；

图3为本发明实施例中间主轴颈垫块支撑位置示意图；

图4为本发明实施例曲拐垫块支撑位置示意图；

图5为本发明实施例曲轴整体示意图；

图6为图5的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-6所示，标号分别表示：

中间主轴颈1、输出端轴颈2、自由端轴颈3、挡环4、曲拐5、内开档51、红套孔52、垫块61、垫块62、垫块63。

参见图1-6所示，本实施例中提供一种大型半组合船用曲轴的装配方法，适用于曲轴上各曲拐5和中间主轴颈1、自由端轴颈3以及输出端轴颈2连接时的长度控制。

该方法包括如下步骤：

1、在粗加工中间主轴颈1、输出端轴颈2以及自由端轴颈3时，在其外周面上加工绕其周向分布的挡环4。其中，每个中间主轴颈1上设置两个挡环4，两个挡环4应当靠近装配成曲轴后的曲拐5端面设置。而输出端轴颈2以及自由端轴颈3上只设置一个挡环4，并且同样靠近装配成曲轴后的曲拐5端面设置。

2、测量各中间主轴颈1、输出端轴颈2、自由端轴颈3以及曲拐5的外形尺寸，包括：

曲拐5内开档51尺寸DB(参见图2所示)；

曲拐5单臂厚DA(参见图2所示)；

中间主轴颈1上两挡环4外端面间的间距L(参见图1所示)；

各轴颈上各挡环4外的外圆部分长度D。

需要注意的是，中间主轴颈1由于具有两个挡环4，也就是说具有两个D，每个挡环外的外圆部分长度D对应不同的曲拐5，而且仅中间主轴颈1上存在间距L(参见图1所示)。而各输出端轴颈2和自由端轴颈3上仅有一个外圆部分长度D，且没有间距L。

另外，上述测量步骤中，各零件的外形尺寸均采用多点测量并求平均值的方式，例如对于一个输出端轴颈2，在其周向上选择多个测量位置并逐次测量，获得多个外圆部分长度D(D₁、D₂…D_n)，之后求平均值获得该输出端轴颈2的圆长D。

3、基于步骤2所获得的测量值和曲轴的轴间距设计值B(参见图5所示)，计算中间主轴颈1插入曲拐红套孔后的伸出量f(参见图6所示)，通过如下公式计算：f＝DB/2+D+L/2-B/2。

另外，由于自由端轴颈3和输出端轴颈2均属于单侧配合的零件，不存在间距L，因此无法通过上述方法计算其伸出量。但是，由于红套后，在对曲轴整体精加工的过程中还需对自由端轴颈3和输出端轴颈2的法兰部分进行精加工，且法兰的轴向加工余量足够保证加工后自由端轴颈3和输出端轴颈2与各自曲拐配合的段长尺寸符合图纸要求，故综合考虑后，此处的伸出量f'直接取设计的理论伸出量1mm。

4、根据上述步骤获得的伸出量f以及f'计算各支撑位置处的垫块的厚度h，根据如下公式计算：

用于所述曲拐5与所述自由端轴颈3或输出端轴颈2之间连接的垫块厚度h＝D-DA-f'-y；

用于所述曲拐5和所述中间主轴颈1之间单套连接的垫块厚度h＝D-DA-f-x；

用于所述曲拐5和所述中间主轴颈1之间复套连接的垫块厚度h＝D-DA-f-y；

上述步骤中所引入的x、y，是本申请人在长期的生产过程中，基于不同机型的红套后曲轴的长度偏差总结而来。所引入的经验值之所以存在，是因为在曲轴红套时，曲轴的零件在加热后的尺寸会发生一定程度的变化(通常是受热冷却后尺寸变大)，这就导致在红套之后，曲轴的整体长度会偏大，因此用经验值来进行校正。

该经验值的运用可以使红套后的曲轴长度最接近于设计长度值。本申请人在生产过程中所掌握的部分经验值可参见下表：

通过对于经验值和曲轴各参数进行统计分析，本申请人总结出不同曲轴参数和经验值之间所隐藏的规律：

经验值的取值受机型直接影响，机型决定了相关零件的尺寸，越大机型的曲轴，尺寸、体积越大，加热后的尺寸变化也相应较大，故大机型曲轴的经验值也相应地较大。其中，影响经验值的因素包括：红套孔直径、曲拐壁厚、轴颈长度、轴颈的直径等等，而这些尺寸共同决定了x、y经验值的取值。

和机型无关，单套经验值(x)总是要大于复套经验值(y)，且大于y的值为0.05mm-0.1mm。

在此对于x、y的取值特定义如下，所述x的取值范围为0.1-0.8mm，所述y的取值范围为0.05-0.7mm，且所述x比y大0.05mm-0.1mm。

优选的，x的取值范围为0.2mm-0.6mm，y的取值范围为0.1-0.5mm。

上述经验值的引入能够有效保证了曲轴红套后实际的伸出量和理论的伸出量一致。

另外，虽然在通常的实际生产过程中，输出端轴颈2与曲拐5的红套连接属于单套阶段；自由端轴颈3与曲拐5的红套连接属于复套阶段。但是经过长期的生产的总结经验，无论输出端轴颈2和自由端轴颈3是复套还是单套，其经验值均应该选择中间主轴颈1复套的经验值，这也就是上述公式h＝D-DA-f'-y中出现经验值y的原因。

5、根据上述步骤获得的各垫块厚度h，加工相应厚度的垫块。在本实施例中，介于一个轴颈(中间主轴颈1、输出端轴颈2或自由端轴颈3)和一个曲拐2之间并起支撑作用的垫块的数量为3个。也就是说任意一个支撑位置处，需要加工三块相同厚度的垫块。

另外，根据上述公式，当计算中间主轴颈的垫块厚度h时，由于中间主轴颈1伸出量f计算中已经包括轴颈红套外圆长D，因此垫块厚度公式可直接简化为：h＝B/2-DB/2-L/2-DA–x；或者h＝B/2-DB/2-L/2-DA–y。

但上述的简化仅适用于理想状态下，事实上，在实际加工过程中，控制曲轴整体长度和控制轴颈的伸出量是同等重要的。当伸出量f偏大或者偏小时，可以通过调节垫块厚度，既保证曲轴整体长度，又可使伸出量值合适。故此测量圆长D，以及分别计算中间主轴颈伸出量f和垫块厚度h是不可简化的。而主轴颈的伸出量f应当在0.4-1.2mm范围内，理想的取值范围为0.6-0.9mm。

以同一个中间主轴颈1两侧的伸出量f为例，若根据公式计算出一侧伸出量f₁为0.3mm，另一侧伸出量f₂为0.9mm。此时可以将0.3mm一侧垫块尺寸减少0.3mm，另一侧垫块尺寸增加0.3mm，这样，曲轴整体长度没有发生改变，但是伸出量调整到了0.6mm和0.6mm。这其实相当于整个主轴颈向0.3mm那一侧移动了0.3mm，总长度不变。需要注意的是，在上述的过程中，调整幅度在轴间距设计值B的公差范围内。

6、加热曲拐使其红套孔内径胀大到红套要求，并将加工好的对应的垫块放置在该曲拐端面的支撑位置上，之后吊放零件使轴颈插入曲拐5红套孔52中，直至挡环压迫所述垫块，仅通过垫块支撑于曲拐5和轴颈之间。冷却之后曲拐5抱紧轴颈，即完成一个轴颈和一个曲拐5的装配。依次安装完成整个曲轴的装配。

在上述的装配过程中，任意一个支撑位置处的三块垫块均沿挡环4/红套孔52外端面均匀分布。

另外，可参见图3-4所示，图中显示为中间主轴颈1与曲拐2复套时的垫块分布示意图。当复套时，垫块61、垫块62和垫块63分布方式为均布，且一个垫块(图中所示为垫块61)位于上方曲拐2的中心线上，近曲柄销侧。

当单套时，三块垫块仅均布即可。

以上通过实施例对于本发明的发明意图和实施方式进行详细说明，但是本发明所属领域的一般技术人员可以理解，本发明以上实施例仅为本发明的优选实施例之一，为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本发明权利要求技术方案的实施，都在本发明的保护范围内。

需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种大型半组合船用曲轴的装配方法，适用于曲轴上各曲拐和中间主轴颈、自由端轴颈以及输出端轴颈连接时的长度控制，其特征在于包括如下步骤：

D、计算各支撑位置处的垫块的厚度h，根据如下公式计算：

所述f'的取值为1mm；

2.根据权利要求1所述的一种大型半组合船用曲轴的装配方法，其特征在于：所述x的取值范围为0.2-0.6mm；所述y的取值范围为0.1-0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种大型半组合船用曲轴的装配方法，其特征在于：每一支撑位置处的垫块的数量为三块。