曲柄连杆机构

第一节曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是柴油机的主要运动件，主要包括曲轴和连杆，对于十字头式柴油机还包括十字头组件。曲柄连杆机构的主要作用是将活塞的往复运动转换成回转运动，并输出动力。

一、十字头组件

1．十字头组件的作用及工作条件

十字头组件是船用二冲程十字头式柴油机的特有部件。它的主要作用是将活塞组件和连杆组件连接起来，把活塞的气体力和惯性力传给连杆，承受侧推力并给活塞在气缸中的运动导向。主要包括十字头本体，十字头滑块和十字头轴承（连杆小端轴承）等。如图2-26所示。

十字头组件的工作条件是比较苛刻的。十字头本体和轴承要承受周期性的气体爆发压力；十字头滑块要承受侧推力的作用。特别是十字头头轴承，由于单向受力及连杆只作摆动，不易形成良好的润滑，工作条件更为恶劣。

图2-26十字头的构造

2．十字头的构造

十字头的结构有以下几种类型。根据十字头滑块的结构形式可分为单滑块结构、圆筒形滑块结构和双滑块结构。双滑块结构的正倒车承压面相同，比较安全可靠。导板设在机架的横隔板上(见图2-27)，使连杆摆动平面宽敞，由机器的两侧进行检修工作比较方便，因此应用广泛。单滑块式十字头结构简单，制造与安装容易，以前应用较多，现在已很少采用。圆筒形滑块仅为个别机型使用。

根据十字头与活塞杆的连接方式有两种，一种是活塞杆穿过十字头上的孔用螺帽固定，

另一种是利用活塞杆下部凸缘和螺栓与十字头连接。第一种形式由于活塞杆穿过十字头，连杆小端必须采用分岔形式，使十字头轴承工作可靠性降低，现在已基本不用。而第二种形式由于连杆小端采用全支撑式结构，扩大了轴承的承载面积，改善了轴承的受力状况，使十字头轴承的工作可靠性大大提高。目前MAN B&W和SULZER公司最新生产的柴油机都采用这种结构。

图2-26为MAN B&W公司生产的S-MC-C型柴油机的十字头，它主要由十字头销3和十字头滑块4组成。活塞杆通过四个螺栓固定在十字头销上部的平面上，十字头销连杆小端轴承5支撑，连杆小端轴承盖为中空结构，两侧为十字头滑块，滑块两侧的工作面上都浇有减磨合金，并开设油槽，滑块可沿着固定在机架上两侧的相应导板滑动，并传递侧推力。

3．十字头轴承工作分析和提高可靠性措施

柴油机故障统计表明，十字头轴承是柴油机各种轴承中发生故障最多的轴承。这种轴承之所以易发生故障，是由于它们的工作条件比较差。

图2-27 L35MC/MCE柴油机十字头导板

１、５-螺栓；２-导轨；３、４-垫片；６-十字头销；７-连杆小端轴承；８-托架

十字头轴承的工作特点：

(1)轴承的比压大。十字头轴承承受气体力和活塞惯性力的作用，燃烧气体压力很高，而十字头轴承与十字头销又是同处于往复运动中，其尺寸受到较大的限制。

(2)难以形成足够的润滑油膜。连杆小端轴承绕十字头销摆动，十字头式柴油机都是低速机，连杆的摆角和摆动角速度都很小。当活塞处在上下止点位置时，摆动角速度最大，而曲柄销在左右水平位置时，摆动角速度为零。由于摆动角速度时大时小且不断地改变方向，使十字头轴承往往处于边界润滑状态，因此难以形成足够的润滑油膜，摩擦和磨损比较严重。

(3)单向受力。十字头柴油机都是二冲程机，十字头销始终压在轴承下瓦上，不利于滑油的供应和楔形油膜的形成。

(4)受力不均。在柴油机工作时，由于十字头和轴承受力，使这些部件难免发生变形。特别是对于分岔式十字头轴承，十字头销变形往往很难和轴承变形一致，易使局部受力严重，产生负荷分配不均现象。一般在轴承内侧受力较大，更易发生故障。这种情况在采用全支撑式十字头轴承后已大大改善。

由于以上特点，使十字头轴承成为柴油机中工作条件最恶劣的轴承，也是柴油机安全可靠运转的薄弱环节。因此，该轴承允许有细小裂纹存在，而不必急于换新。

提高十字头轴承可靠性的措施：

为了提高十字头轴承的工作可靠性，各柴油机公司和制造厂家多年来做了不少努力，采取了一系列延长十字头轴承寿命的措施。这些措施归纳起来主要围绕着以下几个方面。

(1)降低轴承比压。降低轴承比压的措施主要有：

加大轴颈直径，将十字头销轴径加大，同时轴承孔径也相应加大，轴承承压面积增加，因此比压下降。增大轴径还可提高刚度，增加十字头销表面的线速度，有利于润滑油膜的形成。有的柴油机十字头销直径已增加到气缸直径的96%。

采用全支承式轴承，见图2-28。在轴颈的全长上都设轴承承压面，扩大了承压面积。

(2)使轴承负荷分布均匀。为了提高十字头轴承的可靠性，不但要降低轴承比压的平均值，而且还要避免局部比压过高现象，尽量使轴承负荷分配平均。对于分岔式十字头轴承,曾采取过如：采用弹性结构、刚性结构、反变形法和增大承压面的贴合面积等方法使轴承负荷分布均匀。

(3)保证良好的润滑和冷却。其主要措施有保证油压，合理开设布油槽和输油槽，使轴承在工作时有合适的间隙等。

保证油压。为了保证十字头轴承的滑油压力，现已普遍采用铰链机构或套管机构，直接把滑油送至十字头销和轴承。当采用薄壁铝锡合金轴瓦后，有的柴油机为了弥补它在嵌入性、适应性等方面的欠缺，由专设的滑油升压泵，把滑油压力大大提高，从而实现液体静力润滑。如RTA-T-B型柴油机，十字头轴承的滑油压力为1.0-1.2 MPa。

合理开设油槽。轴承油槽的布置和形状，对于润滑油膜的形成和轴承承载能力有很大的影响。槽数太多，将使承压面削弱太多，承载能力下降。槽数太少，则布油不均匀。轴向油槽不能开到边缘，以防滑油流失，难以形成液体静力润滑。但也不能把滑油封闭在轴承中或使滑油从轴承中流出的数量不足。为此，某些轴承油槽的端部有小直径泄油槽保证良好冷却。在油槽的边缘应开有楔形斜面，以防锐利的棱边刮去滑动表面上的润滑油。为了获得最佳油膜厚度，楔形斜面必须具有适当的角度和长度。

选择合适的间隙。间隙太大，油压不易建立，油膜不易形成。间隙太小，轴颈不易浮起，热量不易带走，轴承容易抱轴。因此，保证合适的间隙也是很重要的。

(4)采用薄壁轴瓦。近年来由于轴承负荷的不断提高，在十字头轴承中愈来愈多地采用薄壁轴瓦。薄壁轴瓦是在钢背上浇铸一层较薄的轴承合金。使轴承合金与钢背的贴合力强，疲劳强度高。另外，薄壁轴瓦加工精度高，不需拂刮，互换性好，拆装与更换方便。

(5)提高十字头销颈表面光滑程度。由于十字头轴承润滑条件差，油膜很薄，为了防止十字头销颈擦伤轴承，同时也为了提高十字头销的抗疲劳强度，十字头销颈必须非常光滑。

二、连杆

1连杆的工作条件和要求

连杆的功用是将作用在活塞上的气体压力和惯性力传给曲轴，并把活塞或十字头与曲轴连接起来，将活塞的往复运动变成曲轴的回转运动。连杆的运动复杂，连杆的小端随活塞作往