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相似原理在大功率柴油发电机主轴承座维修中的应用

2012-11-20

作者：吴楠
　　1　故障概述
　　2000年，塘厦电力有限公司一台NIGATA（日本新泻铁工所）18PC2-6V柴油发电机组在运行过程中出现主轴承温度过高自动停机，拆检结果为柴油机第四道主轴承下轴瓦严重烧损，轴承座有高温变形，轴颈表面经探伤检查未发现裂纹。
　　由于轴承座变形严重，无法直接修复使用。经向生产厂家咨询，对方没有保存该机主轴承座的加工数据，无法提供新件更换。
　　主轴承座变形情况如图1a所示。
　　由于同轴度要求极高，大功率多缸柴油机主轴承座孔是采用与机体配合加工而成，这决定了各轴承座不具有互换性。其圆弧面中心轴线O与机体贴合平面P并不一定重合，各主轴承座半圆弧面深度H不尽相同（参见图1b）。因此在发生变形后，如果设备生产厂未保留原始加工纪录，则很难确定其变形前的原始数据，必须采取其它方法来满足实际装配要求。
　　为尽快恢复生产，在对变形的主轴承座进行测量分析后，决定对变形的主轴承座进行现场修复。
　　2　修复加工步骤
　　2.1轴瓦贴合面的修复
　　加工一个工艺假轴，研磨加工圆弧表面，以恢复其几何形状。
　　2.2上平面的修复
　　采用平面磨床磨削加工，修正主轴承座上平面。
　　加工后的主轴承座如图1b所示。注意在加工中应尽量减少磨削量，同时必须尽量保证上平面P对半圆柱面轴线O的平行度；半圆柱面轴线O对侧面B的平行度以及上平面P对侧面B（主轴承座安装横向定位面）的垂直度。加工后半圆弧面深度H会小于原始值，这一尺寸将在安装时通过加装调整垫片来恢复（见图2，⑤）。由于受力大，调整垫片使用不锈钢材料以保证垫片具有足够的刚度。
　　3　安装调整
　　安装中Z困难的问题是确定正确的调整垫片厚度。
　　由于柴油机结构复杂，拆卸主轴工程浩大，非万不得已是不考虑的。由于曲臂遮挡，很难用常规方法准确测量安装后主轴承孔在垂直方向的直径，这导致难以准确确定调整垫片厚度。为此，先后采用了两种不同的方法。
　　3.1压铅块厚度测量法
　　次安装按照日本专家的方法进行。将直径10mm，厚5mm铅块放置于下轴瓦安装部位，锁紧轴承座紧固螺栓，拆除后测得铅块厚度，用轴瓦厚度减去铅块厚度，得出的垫片厚度为0.10mm。按此厚度加装垫片后装复，测量曲轴开档差在允许范围。开机运行带90%负荷时，该道轴承温度为79℃，高于其他轴承3~5℃，但基本稳定。日方专家确认修复成功。
　　但到2001年，机组运行6000h后大修拆检发现，该道主轴瓦合金镀层磨损严重，虽然没有偏磨现象，但合金镀层磨损面积超过2/3，而其他主轴瓦磨损面积均不超过1/3。由于当时急于开机，就直接更换新轴瓦后开机，运行不到24h即出现主轴承升温报警，停机拆检发现新轴瓦已损坏。为减少配件损失，临时更换一道旧轴瓦后再次开机，带90%负荷时温度维持在79℃，情况稳定。
　　按照生产厂提供的维修手册，主轴瓦的正常使用寿命为24000~28000h，且在磨损面积不超过2/3时可继续使用。上述状况显然达不到设计标准。从上述现象分析，该道主轴承负荷偏高，是造成轴瓦异常磨损的主要原因，而负荷偏高是由于调整垫片厚度不够，造成该道主轴承底面高度高于其它轴承所致。基于以上分析，决定对该道主轴承座调整垫片厚度进行重新确定。而为修正次安装的误差，须采用更为精确的方法来确定调整垫片厚度。
　　3.2主轴提升量测量法
　　除两端和第十道主轴承外，在结构相似、受力相似、变形相似的情况下，第二至第九道主轴承在静态下对主轴颈的支撑力应该是相等的。在拆卸主轴承时，对应的主轴颈会因为自重产生弯曲变形而下沉（已拆除对应活塞连杆及平衡块），在安装主轴承座时，其支撑力对主轴颈的提升量也是相等的。
　　根据这一分析，决定选择与第四道主轴承Z为相似的第六道主轴承作为比照依据。使用百分表实测第六道主轴承安装前后主轴颈的提升量为0.03mm，第四道主轴承在加0.10mm调整垫片时，安装前后主轴颈的提升量为0.05mm，高出0.02mm，据此决定将调整垫片增加相应尺寸，Z终确定调整垫片厚度为0.12mm（实际使用两片0.06mm垫片代替），安装前后主轴颈的提升量为0.03mm，开机运行带90%负荷时，温度稳定在76℃，情况正常。
　　运行24000h拆检，实际磨损面积不足50%，与其它轴瓦相当，完全达到设计标准，证实修复完全成功。
　　4　分析
　　压铅块厚度测量法在实际检修工作中用途甚广，例如测量齿轮间隙等，但在本例中却出现了较大的误差，究其原因，主要由下述因素所造成。
　　由于存在径向间隙，主轴颈在静态时其顶部处于自由状态。当铅块受压时，其对主轴颈有较大的反作用力，当此作用力超过该段主轴自重时，会使主轴产生向上弯曲。虽然主轴直径较大，具有较大的抗弯能力，但第三道至第五道主轴承之间的跨度近1000mm，加上4个长度400mm的曲臂，总长度超过2000mm，如此大的跨距造成主轴向上的弯曲变形量超过了预期的误差，再加上主轴承座的向下弯曲变形，测量中出现0.02mm的误差是可以理解的。
　　主轴提升量测量法使用了相似原理，以结构和受力均极其相似的第六道主轴承作为比照对象，其精确度在不考虑表计误差的情况下，完全取决于比照对象与待测对象的相似程度，从而避免了各种变形对测量结果的影响。在本例中其精确度达到了0.01mm以上，效果理想。
　　5　结论
　　在实际设备检修工作中，受现场条件、检测加工等条件的限制，常常出现常规检测手段无法应用的情况。而由于设备制造误差、运行磨损量及受力变形等因素的不确定性，使得在研究设计中常用的一些计算方法同样无法精确使用。
　　利用相似原理，通过对设备结构、受力情况等因素的周密分析，找到可作为比照依据的参考点，间接测量确定所需的关键数据，是一种经济便捷、行之有效的方法。
　　在选择测量方法时，必须对待测对象进行全面细致地分析，综合考虑可能的影响因素，确定Z佳的直接或间接待测量，按照不同测量方法的特点，正确选择和应用测量方法。只有这样，才能达到理想的效果。
来源：《柴油机》2006年第03期

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