机体、机座、轴承与贯穿螺栓

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第七节  机体、机座、轴承与贯穿螺栓
    柴油机主要固定机件包括气缸套、气缸体、机架、机座和主轴承等。它们构成柴油机的工作循环空间和曲轴箱空间，并支承柴油机的所有其它机件和附属设备。
    气缸体、机架及机座构成柴油机运动部件的支承和导承；形成各种运动部件和传动部件的运动空间；布置冷却水、润滑油及扫气空气等工质的空间与流道；外部安装高压油泵、调速器、增压器等各种设备和附件；柴油机还要通过机座（或机体）的下支承面安装到船舶船体的基座上。
    机体机座承受安装支承于它们所有机件的重力；在工作中承受气体作用力、运动机件惯性力和倾覆力矩；紧固螺栓使其承受安装应力；因各处温度不同使其产生热应力。
    机体机座应有足够大的刚度，使各运动机件的支承和导承变形小，以保证良好的配合和相互位置精度；应有足够的强度，避免运行中产生裂纹和损坏；因机体机座的轮廓尺寸决定整个柴油机外形尺寸，同时重量占整个柴油机重量的25％～40％，所以机体机座要尺寸小，质量小；此外机体机座各贴合面应有良好密封。
    对固定机件，首先要求具有足够的刚度。一般来说，如果其刚度能满足要求，强度也就不成问题了。同时，固定机件的重量和尺度又对柴油机的重量和尺度起主要作用，因而，在刚度和强度足够的前提下，减少其重量和尺度是很重要的。
    由于柴油机结构类型的不同，机体、机座的结构也相应地会有较大的差别，形式繁多。
一、机体机座
柴油机的固定部件中机体与机座构成了柴油机的骨架与箱体。
图2-61为中小型柴油机机体与机座的结构示意图。图中机座1中央圆孔为主轴承座孔，机体2的上部圆孔用以安装气缸套，称为气缸体部分。机体下部内腔与机座共同形成曲轴连杆回转空间，称为曲轴箱部分。机体与机座以平面贴合，并用短螺栓及贯穿螺栓联接紧固。柴油机以机座安装到船体的基座上。
    图2-62为大型低速柴油机机体与机座的结构示意图。图中机座1中央是主轴承座孔。机体中，气缸体3与曲轴箱（机架）2分别制造，从气缸体顶面到机座之间用较长贯穿螺栓联接紧固。气缸体顶面安装气缸盖4，一侧安装扫气箱5。
中小型柴油机采用机体与机座为整体的结构型式或采用倒置主轴承而无机座的结构型式。
1．机体
    机体由安装缸套的气缸体和形成曲轴箱上半部的机架两部分组成。机体顶面安装气缸盖，机架内部安装导板、凸轮轴等，外侧还装有扫气箱和高压油泵等机件设备。
图2-63为中型柴油机机体机座结构实例。该机体为整体铸造的箱形结构，上部6个圆孔为缸套安装空间，顶面置有缸盖螺栓10，其右下方为凸轮轴箱，圆孔中安装凸轮轴承，轴箱板顶板面安装高压油泵，箱体外侧有检修道门。在机体左下方有6个防爆道门5，当曲轴箱内油气压力升高超过规定时小盖板4自动打开，释放油气后又迅速关闭，防止曲轴箱爆炸，并告示轮机人员柴油机运行有异常。弹簧3一端被防爆门5中心环板限制，另一端压在薄钢片上，并通过固置于薄钢片螺母中的螺钉将弹力传给小盖板4，使小盖板盖住防爆门与外界的通口。旋紧螺钉时小盖板压紧力变大，此压紧力应符合规定──保证曲轴箱内压力不大于0.02MPa。机体下平面与机座上平面精密贴合，并垫有密封垫片。机体与机座除用短螺栓联接外，更依靠贯穿螺栓6紧固。在机体上侧面设有进水口O，并设有检查冷却水腔结垢情况的盖板 12，盖板内侧还设有保护机体，即缸套的防蚀锌板。
图2-62所示，大型低速柴油机机体中的气缸体3和机架部分2是分开制造的。图2-64为Sulzer RND机的气缸结构图。图中2为单铸式的气缸体，各缸气缸体之间通过连结螺栓孔4和15用螺栓联接紧固成一体.与机架、机座之通过孔23的贯穿螺栓联结紧固。气缸套l插入气缸体中央孔中，由气缸上面的凸肩支承。缸体与缸套之间有上冷却空间3和下冷却空间10，在缸套的排气侧的壁中钻有沟通上下空间的通孔18，用来加强排气侧的冷却。每个冷却空间的上下方向，缸套上都有水封装置，并且可通过孔5和9检查上冷却腔的下方和下冷却腔的上方密封情况。在气缸体左侧安排有排气道21和进气道19，它们分别与排气管和扫气箱相联通。气缸体底部中央有活塞杆密封函座孔12和活塞冷却套管密封函座孔板14。座孔板分上下两层，气缸空间与曲轴箱空间完全隔开。侧边孔13平时用盖板封死。孔7和8为缸套和缸体上的检查孔外部也用盖板封死，打开盖板，可以分别检查活塞表面、缸套内表面、活塞杆与填料函和气口情况。座孔22用来安装气缸套润滑油滑油接头。
大型低速柴油机的机架有A字型机架和箱形机架两种主要型式。图6-65所示为双导板焊接结构A字型机架，每片机架均由钢板焊接而成横跨于主轴承之上，每两片 A字型机架之间用横挡板及两侧纵向加强板5联接紧固成刚性足够的A字型机架。机架左右两侧设有大尺寸道门，供轮机人员进入曲轴箱检修用。打开检查孔盖，可以观察柴油机内部情况。排气侧道门上设有防爆道门8和保护罩9。当曲柄箱内油气压力达表压0.005MPa时防爆门自动打开，释放高压油气，防止曲轴箱爆炸。空心的铸铁导板固定在机架内侧，垫片 11、12用以调整十字头滑块与导板的正面和侧面间隙。
图2-66为箱形机架。它由上面板1、底板9、横向隔板5及左右侧板8焊接而成，在隔板上设有导板2，在侧板上设有检修道门7。由于箱形机架是刚性整体，故安装方便，找正定位容易，结合面少，曲轴箱密封较好。但其结构复杂，制造加工困难。

2．机座
    机座位于柴油机的下部，是所有机件安装的基础，柴油机也靠它安装到船体的基座上。它是主轴承及曲轴安装的依据，又是曲轴箱下半空间及润滑油回流汇集空间。
    机座除承受机件重力、气体力及惯性力作用外，还直接受到风浪等因素使船体变形所带来拉伸、弯曲及扭曲等额外应力作用。为此机座必须具有足够刚性及强度，以免机座变形造成曲轴挠曲变形以及活塞、曲柄连杆机构与气缸的位置精度变坏而发生机件异常等事故。
机座的结构有图2-62所示的凹形底机座和图2-67所示的平底机座两种结构型式。 凹形底机座在中小型柴油机中，多为整体铸造的箱体；大型柴油机常采用焊接结构。这种机座的底板呈凹形作为盛油容器。机座两侧是呈I型截面的纵梁：其上平面是机体安装平面，其下平面是机座与船体基座安装平面，上、下面板之间有斜筋支撑以提高其刚度。机座两侧壁间用（i＋1）个横隔板相连（i为缸数），将机座内腔分隔为i个空间，成为曲轴箱下部空间。每个横隔板中央半圆孔为主轴承座孔，机座中全部座孔都是在一次走刀中加工而成。具有较好的同轴度，并且与上、下面板平行。为增加轴承座刚性，横隔板上都有由座孔向外辐射状筋肋。横隔板下方都开有圆孔，以使润滑油在机座纵向能向尾部流通汇集。
图2-67为平底式机座。它是由上座板1和下座板3以及两侧纵向侧板2所焊的方形箱体。上座面装机架，下座面安装在船舶双层底舱板上。两侧板之间亦由（i＋1）个横隔板分为i个曲轴箱下部空间。主轴承座孔4在横隔板中央。为增加刚性，两侧内间还衬有中间侧板11以及贯穿螺栓孔板6。在底板的上方设有滤网12，使回流润滑油进行滤清。
为保证柴油机曲轴与船舶轴系或其它驱动、装置转轴的同轴度要求，在安装时要求能调整柴油机轴线位置；也为了能在使用中消除机座因某些原因引起的变形，保证机座应有的技术精度；在机座与船体基座（或舱板接触面）间都设有机座垫块，如图2-68所示。
机座的下座板3经两块垫块2与船体基座上面板接触，并用螺栓4紧固。两垫块都制成倾斜度为10O:1（或更小）的楔形体可以通过垫块的不同楔入深度调整轴线高低。一般将下垫块外倾安装并与基座焊固，改变上垫块楔入深度，即能调整该处轴心高度，达到要求后，再加工出螺栓孔装配螺栓。垫块可用铸铁或铸钢来加工，但每块厚度都有规定，以保证刚度和强度。垫块之间以及垫块与机座或基座之间接触必须十分紧密，因此各接触面必须经创铲、拂刮、研磨等精密加工，使相互接触面积在60％以上，并且接触斑点均匀。要求垫块装入后，地脚螺栓紧固前接触面间插不进0.05mm的塞尺。
机座与船体的联接紧固螺栓称为地脚螺栓。它们要克服气体力和惯性力所引起的倾覆及振动。还要克服船舶摇摆倾斜时柴油机重力的分力。在设有推力轴承的柴油机中，水对螺旋桨轴的轴向推力也将由地脚螺栓来传给船体，因此地脚栓螺栓的作用很大。为确保柴油机与船体相互位置在外力下仍能正确不变、地脚螺栓中有15％以上是不可互换的紧配螺栓，它的定位圆柱部分与螺栓孔精加工后逐一配对铰孔后再装配，两者之间应达到H7/k6的过度配合要求。每次拆卸后都需重新铰孔配制螺栓，紧配螺栓一般都配置在柴油机的功率输出端。机座垫块和地脚螺栓安装质量直接决定机座主轴承孔（即曲轴主轴颈）的同轴度等重要技术状态，故检修、管理中必须十分重视。
     
二、贯穿螺栓
大多数中低速柴油机的机体与机座都用上、下贯穿的长螺栓来紧固成刚体，这种长螺栓叫贯穿螺栓。采用贯穿螺栓结构，这些拉力全由贯穿螺栓承担，螺栓的作用力可准确计算，并且可以对固定部件的尺寸、形状作出合理设计。
    大型低速柴油机贯穿螺栓及安装图可用图2-69表示。贯穿螺栓两头都车有螺纹，配有专用螺帽。其顶部还制有供液压拉伸器使用的附加螺纹头。为防止柴油机运转时细长的贯穿螺栓发生横向振动，在贯穿螺栓中部装有防振夹套4，在水平方向还有两个螺钉，它们在贯穿螺栓装配完毕后再上紧，将防振夹套4牢固地顶靠在气缸体上。
贯穿螺栓安装紧固质量影响机体、机座的位置精度和形状精度，故必须按规范进行。贯穿螺栓紧固的顺序应从中央向柴油机两端左右交替进行，一般应分两阶段上紧螺帽。每阶段都应遵守说明书规定的螺栓伸长量或液压拉伸器的泵油压力。螺帽上紧后，应检查螺帽、垫圈与支承面的贴紧程度，要求0.05mm塞尺插不进。贯穿螺栓紧固后还应检查运动件各处间隙以及曲轴臂距差变动情况，若不合要求应重新安装贯穿螺栓。贯穿螺栓不起定位作用，所以机体机座间各贴合面处仍须有紧配螺栓或定位销来保证各面之间的相对位置精度。
三、柴油机轴承
1．功用、工况和要求
    柴油机中相对转动的机件之间都设有轴承。其中主要有主轴承，连杆大、小端轴承和十字头轴承、凸轮轴轴承等。无论是轴瓦结构、圆形衬套，还是滚动轴承，都使相对转动的机件表面改善摩擦状态、减轻磨损、延长机件寿命，使相互运动的机件能保持正确的相互位置关系和良好的技术状态。
柴油机的主轴承和连杆轴承等都是在交变的负荷下工作，故轴承内较难保持均匀恒定的 承载油膜；轴承的负荷很大，轴颈与轴瓦之间相对运动速度又高，加上润滑油中杂质以及滑油变质等腐蚀破坏，使轴承容易损伤。柴油机使用工况复杂，起动、停车频繁，低速工况较多，故轴承极易出现半干摩擦，此外机件变形还会引起轴承表面产生局部负荷集中。
    柴油机轴承工作不正常将直接造成异常磨损和轴颈损伤，甚至造成柴油机停车。主轴承过度磨损或变形，不仅影响曲轴轴线平直，还将改变活塞连杆与缸套的正确位置和正常工作关系。因此柴油机的轴承应有优良的耐磨性能，且应具有足够刚度和强度，检修中应精确安装，管理运转中应保证良好的润滑。
2．滑动轴承
柴油机轴承型式主要是滑动轴承。滑动轴承主要由轴承座、轴承盖、轴瓦及轴承螺栓等组成，图2-70为正置式主轴承结构图。主轴承下瓦4的座孔由机座横隔板加工而成轴承盖与轴承座孔以两侧垂直平面精加工配合，确保两者同心，并以此精密配合面传递承受曲轴的水平作用力，使轴承螺栓免受横向切力。上下轴瓦3与4以平剖切口相接合，接合面之间有垫片6。增减垫片厚薄可以调整轴承与轴颈间隙。轴瓦内表均浇铸有减磨合金层5，具有减摩效果。上轴瓦有进油口和周向布油槽，将润滑油引入轴与轴承之间，以实现液体摩擦。下轴瓦内表无布油槽，可增大承压面积和保持油膜状态完整。上、下轴瓦结合面处的内表制有轴向浅槽，将润滑油分布到轴向方向，同时可贮存润滑油中杂质，故又称垃圾槽。轴承盖与轴承座材料相同，为增加刚性，采用工型截面结构并且有筋肋支撑。主轴承螺栓在两侧将轴承盖，上瓦压紧在下瓦轴承座上。中央有润滑油管接头，用来引入压力润滑油。






135系列柴油机采用滚动主轴承结构，其主轴承内圈与曲轴主轴颈为过盈配合。装配时应将轴承内圈放立滑油中加热至100℃～120℃，然后热套到主轴颈上。而滚动轴承外圈与机架座孔为过度配合，两端有锁簧限制轴向移动。滚动轴承摩擦小得多，但装配要求高。
柴油机主轴承按功用可分为普通主轴承和止推主轴承两种。图2-70为普通主轴承，它从径向支承曲轴，保证曲轴的正确轴线。通常最后一档主轴承还起到使曲轴轴向、定位作用，能防止因振动和倾斜摇摆发生曲轴的轴向窜动。这种保证曲轴轴向定位的主轴承称为止推主轴承，滑动止推轴承的结构主要有图2-71所示两种。其中a）为翻边止推轴承，轴瓦的两端翻边端浇铸减磨合金，与轴颈前后凸肩端面相配合，防止轴颈轴向窜动。b）为止推片式止推轴承。它是在轴承座的前后端嵌装端面浇有减磨合金的止推环片与轴颈前后凸肩端面相配合。图示为大型柴油机中采用的上、下剖分的4块止推片型式。有的柴油机连杆大端轴承也采用带翻边的轴承，与相对的曲柄销轴向定位。
主轴承按主轴承盖布置的情况可分为正置式和倒置式两种。图2-70所示的正置式主轴承盖从上方装配联接。曲轴传递的负荷主要由下瓦和下轴承座承受。此种主轴承刚性较好，应用于大多数柴油机中。
  图2-72为倒置式主轴承。主轴承座是机架横隔板中央圆孔。主轴承盖4从下方用倒挂螺栓l装配。主轴承盖呈倒挂形式，承受曲轴所传递的负荷。这种型式适用于不设机座的中高速柴油机中。它们的机架下方只有倒挂安装的钢板冲压的油池底壳7。这种型式使曲轴拆装方便。但曲轴负荷全由主轴承盖和主轴承螺栓承受，因此其负荷重且刚性差。专门设置的横向螺栓2将轴承盖侧面与机架紧固以增加刚性。
主轴承盖紧固的方式有两种。图2-72所示为“连接螺栓紧固”。螺栓布置在主轴承两侧，工作时呈受拉伸力。这种连接的主轴承盖及机架横向尺寸较大，致使刚性也较差。
图2-73为“撑杆式主轴承螺栓”。撑杆下端压于主轴承盖圆坑中，上端以液压油缸外端顶于机架横隔板中。液压油缸1套于撑杆上端凸台上。液压缸1在有油从螺塞3处压入活塞顶的油腔时会上升，此时螺母6与油缸1脱离接触，即可向上旋动抵到液压油缸下部，使撑杆伸长，压紧主轴承盖。采用撑杆式螺栓可提高主轴承刚度，且能减小机架两侧贯穿螺栓之间距离，使机架横向刚度也得以提高。
滑动轴承中，减磨合金层是轴承的关键组成部分。在低速柴油机的个别轴承中，是直接将减磨合金层浇铸在座孔的表面形成轴承。少数轴套式轴承则是由单一减磨合金材料制成。绝大多数轴承是由低碳钢拧制的衬背（底层）上复盖一层减磨合金的双层结构轴瓦。有时还在双层轴承的减磨层表面再复盖一层极薄的软金属层，以改善表面性能，这样形成三层结构轴瓦。
1）轴瓦的减磨合金
    轴瓦的减磨合金不同，轴承的工作性能及管理要求不同。
    （1）巴氏合金：在柔软基体中分布细硬质点形成减磨结构。其顺应性、嵌藏性及磨合性能很好、耐磨性能亦佳，只是软基体承载能力差，且熔点也低，工作温度不能超过100℃。
    （2）铜铅合金：承受能力强，疲劳强度高，且受温度影响小，但其表面顺应性等性能差。为此常在合层表面再渡以铅锡铟等软层，并且要求高的加工精度。
    （3）铝基合金：基本金属为铝，具有较好的机械强度和耐磨性能。含锡6％左右，为低锡铝合金；含锡20％以上称为高锡铝合金。随含锡量的增加，合金硬度和承载能力有所下降，但抗咬合等表面性能提高，故高锡铝合金得到较广泛应用。今后铝硅合金、铝铅合金也会渐逐广泛应用。
    轴瓦中，瓦背（瓦衬）是减磨合金粘贴的基体，又是轴瓦与轴承座孔过盈配合的部分。因此，瓦背材料即要与合金层具有良好的粘合性能，又应具有足够屈服强度。实践证明，低碳钢是瓦背的理想材料。主轴瓦与连杆轴瓦用08、10、15 号钢作瓦背材料。薄壁轴瓦用铝合金为减磨材料时，用05沸08沸号钢作瓦背。厚壁轴瓦选用青铜铸铁、低碳钢作瓦背。
    2）厚壁瓦与薄壁瓦
    轴瓦的厚度是瓦背、减磨合金层及表面复盖层三者厚度之和。轴瓦分厚壁轴瓦和薄壁轴瓦，两者结构和使用性能不同。
厚壁轴瓦的厚度f与轴瓦内径 D的比值大于0.1，瓦背厚度在3mm～15mm，合金层厚度在2mm以上。薄壁轴瓦的厚度与轴瓦内径之比在0.02～0.065之间，瓦背厚度在1.5mm～7mm，合金属层厚度小于lmm～1.5mm。
厚壁轴瓦厚度大，刚性较好，不易变形，但对轴颈情况适应差，往往需经拂刮才能达到与轴颈良好配合。各档轴瓦不能互换，轴承与轴颈的间隙可用上、下轴瓦结合面处的垫片来调整。厚壁瓦尺寸及重量较大，多用于低速船舶柴油机。薄壁瓦厚度小，可使轴颈直径增大。薄壁瓦刚性小弹性好。其外表依一定的过盈量紧贴在轴承座孔中。安装后轴承的尺寸精度完全由座孔和轴瓦本身的壁厚精度保证，与轴颈配合面不需（许）拂刮即能满足要求。因其本身外形尺寸小质量轻，适合于高精度大批量生产，故成本亦低。由于合金层较薄，轴承抗疲劳能力大大增强，其承受能力强，使用寿命长，故广泛应用于中高速柴油机中。现在低速船用柴油机中，十字头销轴承甚至连杆轴承和主轴承也越来越多地使用薄壁轴瓦。薄壁轴瓦磨损至超过规定值后必须更换新的轴瓦。薄壁轴瓦与轴承座孔的安装过盈量需严格控制：过盈太大，会造成薄壁轴瓦本身材料屈服变形，上、下轴瓦贴合处会向内弯曲擦伤轴颈，外表也会与座孔脱离松动；若过盈太小，又会造成轴瓦本身亦转动的事故。
3．推力轴承（图2-74）
该机型的推力轴和曲轴锻为一体，推力环的外圆法兰固定传动凸轮轴的主动链轮。这种布置使柴油机轴向尺寸减小。推力轴承主要由正车推力块8、倒车推力块5、推力盘（调节圈）3、9和其它一些部件等组成。正、倒车推力块各八块，沿圆周方向排列，排成约占 2／3圆周的扇形面。柴油机正车运转时，螺旋桨的轴向推力通过尾轴和中间轴传到推力环，推力环通过正车推力块和推力盘将推力传给柴油机机座，又通过地脚螺栓传给船体，从而推动船舶前进。滑油来自主轴承润滑系统。为了防止滑油从轴颈处漏出机外，在轴颈上设有轴封。推力轴在转动中，甩油环2利用离心力把溅到轴上的滑油甩出，未甩净的油由刮油环刮下。

推力轴承的关键部件是推力块。推力块结构随机型的不同而所有差别，但工作原理是一样的。图2-75示出一种推力块的立体图。推力块为一个扇形块，在靠近推力环的工作面浇有白合金5，并在进油边2处制有圆角或斜面，在调节圈一侧有高、低两个面3和1。高低面相交的棱边AB为工作时的支持刃，工作时它与调节圈工作面靠在一起。推力块两个侧面上都有凸台4，起着推力块间支承和定位的作用。

推力轴承在正常情况下是在液体动力润滑下工作的。在工作中，如图2-76a）所示，推力块2绕支持刃偏转一个小角度，使推力块与推力环3的工作面间形成楔形空间，滑油被推力环带入楔形空间，产生了动力油压。推力环的推力通过动力油压传递到推力块上，再经过支持刃传递到调节圈1上。图2-76b）中的推力块由支持销支承，示出了推力块工作面上油的流动情况和压力的分布情况。推力增大时，推力块与推力环间的间隙减小，油的动压增加，传递的推力加大。转速过低时，动力油压变小，可能会因油压不足产生半液膜润滑。为了避免在这种情况下工作面间发生金属接触，工作面的粗糙度等级要很高，否则推力轴承很容易发生烧损事故。
图2-77示出一般推力轴承的简图。正、倒车推力块用压板6、7定位。当推力块互相紧靠在一起时，在压板6、7处留有间隙i1和i2间隙i1和i2。之和要符合说明书的规定，其数值可通过增减压板处的垫片进行调节。这个间隙数值保证了推力块绕支持刃摆动的灵活性。
    正、倒车推力块3、4靠在正、倒车调节圈 2、5上。正、倒车调节圈用来调整推力块推力环间的间隙fi和曲轴与主轴承之间的轴向相对位置。间隙fi是用力把推力环压紧在正车推力块上时，用厚薄规在倒车推力块与推力环间测量出来的间隙。此间隙也可使轴处在不受轴向力的自由状态下，用两个厚薄规在正、倒车推力环处同时测量，然后将这两个数值相加得出。这个间隙的大小要符合说明书的要求，否则要通过调节圈进行调节。作为临时性的调整措施，可在调节圈后加放垫片，在以后修船时再更换调节圈。在工厂安装两排推力块时，调节圈应按下述要求进行调整：当推力环与正、倒车推力块之间各为1／2装配间隙时，靠近推力轴承的最后一个曲柄的中心线应向推力轴承方向偏移一个规定的数值。这样做是为了补偿曲轴在运转中的热膨胀，以便尽可能地使各曲柄臂与主轴承之间的轴向间隙保持均等。
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