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船舶柴油机（轮机）
--模块二 柴油机的结构和主要零部件--
模块二 柴油机的结构和主要零部件
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重点：柴油机各主要部件的作用、工作条件、工作原理及结构特点，各部件的常见故障及原因，管理注意事项。 难点：燃烧室部件承受的机械负荷、热负荷及分析，缸套、活塞、连杆、十字头、曲轴、活塞杆填料涵及活塞冷却机构的结构，曲柄排列与发火顺序。
缸盖 缸套
活塞组件
连杆 曲柄连杆机构 曲轴
主轴承
主要固定件：机架、机座、贯穿螺栓
单元一 燃烧室部件
一、燃烧室部件承受的负荷 1．机械负荷
机械负荷指受力部件承受气体力、安装预紧力、惯性力等的强烈程度。主要以气体力和惯性力为主。柴油机的机械负荷有两个特点：一是周期交变；二是具有冲击性。 1）安装应力：
安装应力与预紧力成正比。因此，安装气缸盖时不应过分紧固，否则会使气缸套、气缸盖发生损伤。另外，将缸套凸肩加高，可使缸套安装应力大大减小。 2）气体力：
气体力是周期变化的，其最大值为最高爆炸压力，变化频率与转速有关，因而由气体力产生的机械应力也称高频应力。由气体力产生的机械应力具有以下特点：
气缸盖、活塞：触火面为压应力，冷却面为拉应力。 缸套：径向：触火面为压应力最大，冷却面为零。 切向：触火面为拉应力最大，冷却面为拉应力最小。
机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，机械应力愈小。 3）惯性力：
活塞组件在缸内作往复变速运动，产生往复惯性力；曲轴作回转运动产生离心惯性力。其大小与部件质量和曲轴转速的平方成正比。由惯性力产生机械应力也是一种高频应力。 2．热负荷
1）热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强烈程度。 2）热负荷的表示方法
（1）热流密度（2）温度场（3）热应力 3）热负荷过高对柴油机的危害：
（1）使材料的机械性能降低，承载能力下降；
（2）使受热部件膨胀、变形，改变了原来正常工作间隙； （3）使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至被烧掉； （4）使受热部件（如活塞顶）受热面被烧蚀；
（5）使受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏等。
船舶上，轮机管理人员通常用排气温度来判断热负荷的高低。 4）热应力：
是指受热部件在内外表面温度不同并且有一定约束的条件下在金属内产生的一种内力。 气缸盖、活塞：触火面为热压应力，冷却面为热拉应力。 缸套：径向：为零。
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切向：触火面为压热应力，冷却面为拉热应力。
热应力与部件壁厚成正比，即壁厚δ愈大，热应力愈大。
由机械应力和热应力可知：机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，机械应力愈小。因而从降低机械应力的角度看，应使δ增大，但热应力与部件壁厚成正比，因此δ增大，热应力增加。所以对燃烧室部件不能采取厚壁结构。合理解决这一技术难题的措施是采用薄壁强背结构。所谓薄壁就是燃烧室部件的壁要薄，以减少热应力。而强背就是在薄壁的背面设置强有力的支承，以降低机械应力。现代新型柴油机燃烧室部件采用钻孔冷却机构就是典型的薄壁强背结构。 3．热疲劳
燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳。热疲劳对燃烧室部件的破坏是从出现裂纹开始的，逐渐发展使部件疲劳破裂。
当柴油机工作时，高温面的热应力为压应力。如果燃烧室壁面局部在高温作用产生蠕变而引起塑性变形，则当停车或负荷降低、壁面温度降低时，因塑性变形无法恢复原状而产生残余拉应力，由此形成压拉应力交替。由于该交变应力的变化周期与转速无关，而只取决于起动-运行- 停车或负荷变化的周期，因此称为低频应力。显然由热疲劳引起的裂纹，通常从高温触火面开始，逐渐发展形成疲劳损坏。
高频应力：应力变化周期与柴油机工作循环周期相同，频率较高。与转速有关。
低频应力：应力变化周期与柴油机起动-运行- 停车或负荷变化的周期相同，频率较低。 二、气缸盖 1．作用：
（1）组成燃烧室
（2）安装喷油器、进、排气阀、启动阀、示功阀、安全阀等附件。 （3）构成冷却水通道和进、排气通道
2．工作条件
（1）承受螺栓的预紧力作用。
（2）承受气体力作用：触火面压应力，冷却面拉应力。
（3）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。
（4）承受腐蚀疲劳作用：缸盖承受冷却水的腐蚀和机械循环应力作用，产生腐蚀疲劳。 3．要求：
（1）足够的强度和刚度。
（2）底部各种阀孔之间的金属堆积处和高温部位，要冷却良好，使各部位的温度均匀。 （3）各种阀件的拆装、维护方便。 （4）冷却水腔的水垢易于清除。 4．类型：
（1）按材料分：①铸铁 ②铸钢 ③锻钢 增压度较高的低速机多采用锻钢制成 （2）按气缸盖与气缸之间的数量关系可分为： ①单体式：每个气缸设一个气缸盖，用在中、大型高增压柴油机。特点是气缸盖和气缸套接合面处的密封性好，拆装方便，但气缸的中心距加大，柴油机长度增加。
②整体式：整个柴油机所有气缸的气缸盖铸成一体，多用于小型柴油机。特点是气缸的中心距小，结构紧凑，但易变形，密封性差，结构复杂，加工不便。
③分组式：2~3个气缸的气缸盖合铸成一体，用在缸径较大的中小型高速机上。 5．构造
1）大型低速柴油机气缸盖的构造
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图 MAN-B&W S-MC-C型柴油机气缸盖
1-排气阀孔；2-冷却钻孔；3-垂直孔；4-喷油器孔；5-起动阀孔； 6-安全阀于示功阀孔；7-气缸盖螺栓孔；8-冷却水腔；9-冷却水套
（1）冷却水孔离燃烧室却很近，构成“薄壁强背”，可降低热负荷和机械负荷。 （2）气缸盖底面为倒锥形，利于换气和燃烧。
（3）两只喷油器对称布置，有利于油雾形状和燃烧室形状的配合，确保油、气良好混合。
（4）缸盖底最下部的内圆柱形壁面，使缸盖和缸套的接合面下移，以便接合处不受火焰的直接冲击，对接合面起到保护作用。
（5）冷却水由接合面的外部进入气缸盖，消除了冷却水通过接合面漏入气缸内部的可能。 （6）缸盖螺栓在圆周上均匀分布，保证缸盖、缸套受力均布。 2）中速柴油机气缸盖的构造
（1）进、排气道左右布置，减少高温排气对低温进气的加热作用。 （2）进气阀孔比排气阀孔大，以提高充气量。
（3）缸盖底板上设有水平中隔板，可把底板减薄，提高冷却效果，减少热应力。
（4）中隔板通过气道、喷油器道与底板相连，使底板得到强有力的支承，提高底板的机械应力。 （5）中隔板把冷却水腔分成上、下两个部分，可提高冷却水流速。 （6）缸盖前后壁开有较大尺寸的孔，用于清洁冷却水腔中的水垢。 6．常见故障
气缸盖最常见的故障是在缸盖底面上产生裂纹、冷却水侧的腐蚀及阀座的磨损。 1）裂纹部位
四冲程机常在进、排气阀孔和喷油器孔及座面上产生裂纹。
二冲程机常在孔与孔之间和孔的圆角处，即有应力集中的地方。 2）裂纹原因
缸盖产生裂纹的根本原因是热应力和机械应力周期作用引起的热疲劳
①操作不当：起动、加速太快或超负荷运行；冷却、润滑液不足或中断；突加冷却水等。 ②维护保养不当：每按规定上紧螺栓或各螺栓受力不均。 3）裂纹判断
（1）管理中判断：
①开车前冲车时，观察示功阀有无水汽、水珠喷出。如有，表明气缸盖可能产生了裂纹。
②运转中，观察冷却水压力是否波动，冷却水出口温度是否升高，膨胀水箱水位是否正常；滑油中是否有水，油位是否升高。
③吊缸时，活塞顶部有积水或锈痕，表明气缸盖有裂穿现象。④ （2）目侧法：
（3）粉剂显痕法：煤油、白粉、15min （4）水压试验法：0.7MPa （5）磁力探伤：
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三、气缸套 1．作用：
（1）组成燃烧室
（2）四冲程机是活塞运动的导承，承受侧推力 （3）二冲程机与活塞运动配合控制换气过程 （4）与缸体构成冷却水空间
2．工作条件
（1）承受周期性变化的气体力作用：径向：触火面压应力最大，冷却面为零。
切向：触火面拉应力最大，冷却面拉应力最小。 （2）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。 （3）承受摩擦作用
（4）内表面承受燃气的化学腐蚀，外表面承受冷却水的腐蚀作用。 （5）筒状活塞承受冷却水的穴蚀作用。 3．要求： 4．材料：
采用耐热、耐磨的合金铸铁，内表面镀铬以提高耐磨性，外表面涂防锈漆或装锌块。
5． 类型：
（1）湿式气缸套：缸套外表面直接与冷却水接触
特点：①散热性好②缸套厚度大，刚性好③制造和更换方便④易产生穴蚀和腐蚀。 （2）干式气缸套：
6．构造：
以二冲程十字头式Sulzer RTA型柴油机为例
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三、气缸套 1．作用：
（1）组成燃烧室
（2）四冲程机是活塞运动的导承，承受侧推力 （3）二冲程机与活塞运动配合控制换气过程 （4）与缸体构成冷却水空间
2．工作条件
（1）承受周期性变化的气体力作用：径向：触火面压应力最大，冷却面为零。
切向：触火面拉应力最大，冷却面拉应力最小。 （2）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。 （3）承受摩擦作用
（4）内表面承受燃气的化学腐蚀，外表面承受冷却水的腐蚀作用。 （5）筒状活塞承受冷却水的穴蚀作用。 3．要求： 4．材料：
采用耐热、耐磨的合金铸铁，内表面镀铬以提高耐磨性，外表面涂防锈漆或装锌块。
5． 类型：
（1）湿式气缸套：缸套外表面直接与冷却水接触
特点：①散热性好②缸套厚度大，刚性好③制造和更换方便④易产生穴蚀和腐蚀。 （2）干式气缸套：
6．构造：
以二冲程十字头式Sulzer RTA型柴油机为例
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（1）缸套凸肩做得又高又厚，采用钻孔冷却，可降低缸套上部的机械应力和热应力。 （2）缸套上部固定，下部呈自由状态，受热后可向下膨胀。
（3）设有O型密封圈3、3a，防水漏入LR空间，可从KB1孔检查
（4）O型密封圈6可防水漏入扫气箱，并防扫气箱空气进入冷却水腔。可从KB孔检查 （5）上部注油点设有布油槽，均匀分布。 （6）缸套下部扫气口均匀分布。 7．常见故障：
气缸套的损坏形式有内表面磨损、裂纹、拉缸、外表面的腐蚀和穴蚀 1）裂纹
①部位：一般发生在应力集中的部位。如气口、布油槽及凸肩等处。 ②原因：
③检查方法： 2）磨损
（1）气缸套磨损的形式
①熔着磨损：一般发生在活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置。 ②腐蚀磨损：A、低温腐蚀 防止低温腐蚀的措施 B、高温腐蚀 ③磨料磨损： （2）过度磨损
正常磨损：铸铁缸套的磨损量＜0.1mm/kh 镀铬缸套的磨损量＜0.01--0.03mm/kh 原因：
（3）缸套磨损的最大位置
大多数柴油机缸套磨损的最大位置是在活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置
原因：①活塞在上部运动速度较低，不易形成液体动力润滑和油膜②缸套上部温度高，气缸油易氧化变质、蒸发烧结③缸套上部压力高，作用在环背上的气体力大，摩擦力大④缸套上部为燃烧室，燃烧产物所生成的磨料形成
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颗粒及燃烧产物形成腐蚀磨损。 （4）缸套的测量
用量缸表或内径百分表
测量部位：①活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置
②活塞位于行程中点时第一道活塞环所对应的缸套位置 ③活塞位于行程中点时最后一道刮油环所对应的缸套位置
④活塞位于下止点时最后一道刮油环所对应的缸套位置
大型二冲程低速机，有气口且行程较长，可在气口上、下方增加两个测量点。 3）拉缸
4）穴蚀：在缸套外表面产生的蜂窝状的小孔群损伤。一般发生在筒状活塞柴油机 （1）原因：穴蚀主要是由于振动引起的。 （2）防止穴蚀的措施：
四、活塞组件
1．活塞的功用： （1）组成燃烧室
（2）将气体力传给曲柄连杆机构实现能量转换。
（3）筒状活塞承受侧推力，起往复运动的导向作用； （4）十字头式活塞控制扫、排气口的启闭。 2．活塞的工作条件：
（1）承受周期性变化的气体力作用 （2）承受热负荷作用
（3）承受燃气的腐蚀和冷却水的腐蚀作用 （4）承受机械磨擦作用
（5）承受往复惯性力的作用
3．要求：强度高、刚度大、气密可靠、冷却效果好、摩擦损失小、耐磨损。摩擦副具有良好的润滑、较小的磨损以及较少的润滑油消耗量。对中、高速柴油机活塞还要求重量轻。 4．活塞的构造： 1）十字头式活塞
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图
MAN-B&W L-MC
型
1-活塞杆；2-冷却油管；3-活塞裙；4-活塞环；5-活塞头
长裙活塞：用于弯流扫气，裙部做得较长，防止新鲜空气流失， 短裙活塞：用于直流扫气，裙部做得较短。
（1）活塞尺寸大，单位容积的散热面积小，采用强制冷却。
（2）头部和裙部分开制造，头部承受高温高压燃气作用，用耐热合金钢制造；裙部与缸套接触，产生摩擦，采用耐磨铸铁制成，两者用柔性螺栓连接。
（3）顶部制成凹形：有利于扫气，有利于自由膨胀，有利于燃油与空气的混合。
（4）采用钻孔冷却，构成薄壁强背结构。活塞加速和减速作用产生“鸡尾振荡”效应，提高传热效果。 （5）头部有五道活塞环槽，用于密封。
（6）裙部设有青铜承磨环，用于改善磨合性能； （7）头部直径小于裙部直径。
（8）裙部不受侧推力，故做得较薄。 2）筒状活塞
（1）活塞头部有落阀坑，防进、排气阀重叠开启时与活塞相撞。 （2）活塞顶部较厚，保证偶足够强度。 （3）头部有3-4道环槽，保证密封。
（4）顶部内壁与裙部用大圆弧过渡连接，可减少应力集中。 （5）裙部较长，可减轻侧推力比压。
（6）裙部设有1-2道刮油环，用于刮掉缸壁多余的滑油。
（7）头部直径小于裙部直径，工作时使头部和裙部的热膨胀量趋于一致。
（8）活塞销附近的裙部制成椭圆形，以消除热膨胀后出现的失圆。长轴在垂直于活塞销轴线方向上，短轴位于活塞销轴线方向上。
原因：①筒形活塞在侧推力作用下将使活塞裙沿销轴方向变长，②气体力作用在活塞上，会使活塞产生弯曲变形使裙部直径沿销轴方向变长，③裙部在销座方向的金属堆积较多，受热后将销轴方向产生较大的热膨胀变形，使裙部沿销座中心线方向增大。
5．材料：
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大型：活塞头用耐磨合金钢，裙部用铸铁。 中、高速机：铸铁、铝合金、铸钢。 6．活塞的冷却：
（1）套管式：冷却介质为水 （2）铰链式：冷却介质为滑油 7．活塞杆： 8．活塞销：
1）工作条件：
（1）承受气体力和往复惯性力的作用。 （2）尺寸小，轴颈比压很大。
（3）工作时相对于活塞销座和连杆小端衬套的滑动速度小，温度高，单位承压面积压力大及变形，润滑条件差。 活塞销同其配合的轴承是柴油机中工作条件最恶劣的摩擦副之一。
2）要求：有足够的疲劳强度、刚度、表面硬度和抗冲击韧性。 3）材料：一般用优质碳钢或合金钢，表面渗碳、淬火处理， 4）活塞销的装配形式：
（1）固定式：销固定在销孔的销座上，活塞销跟连杆小端衬套作相对滑动，这种装配形式使工作中冲击减小，但活塞销单边磨损严重。
（2）半浮动式：销与连杆小端固紧，两端与销孔是间隙配合，这种装配形式因润滑困难，目前很少使用。 （3）浮动式：销既可相对连杆小端衬套转动，又可相对销孔转动，这种装配形式使塞销表面相对速度低，磨损均匀，工作可靠，拆装方便，因而广泛应用于中、高速柴油机中。
铝合金活塞采用浮动式装配形式，在常温下，销与销孔是过盈配合，理由是铝合金材料的热膨胀系数比销高，这样在工作时（热态）才会有合适的间隙，装配时通常把活塞加热到90-100℃，然后将销轻轻地推入销孔中，切忌硬敲击以免擦伤销和销座。
销在销孔中必须轴向定位，以防轴向窜动而刮伤气缸套，一般用卡簧或塞子定位。
图 活塞销的轴向定位
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9．活塞环：
十字头------注油润滑---压缩环、承磨环 筒型活塞---飞溅润滑---压缩环、刮油环
1）作用：密封、散热、支承、布油、刮油
2）工作条件：①受到高温高压燃气的作用②往复惯性力作用③缸套摩擦力作用 3）环在环槽中的运动分析 ①轴向运动
②径向运动 ③回转运动 ④扭曲运动
4）要求：良好的密封性、耐磨性，足够的强度、热稳定性及弹性，表面硬度稍高于缸套 5）压缩环
（1）作用：密封、散热、支承 （2）密封机理 ①漏气的主要途径
②密封机理：第一次密封是依靠环自身的弹性。第二次密封是依靠作用在环上表面和漏到环背内圆柱面的气体力，使环紧贴在环槽的下表面和缸套的内壁上。
第二次密封比第一次密封更为重要（气体力比环弹力大得多），但没有第一次密封，就无法保证第二次密封。
（3）压缩环的断面形状 a.矩形环：
b.梯形环：
c.倒角环：不宜做第一和第二道环。
d.扭曲环：分内切槽环和外切槽环两种。安装扭曲环时常将内切槽环放在第二、第三道，目的是为下两道环切槽处存留滑油，以利润滑。另外安装时应注意内切槽环的切槽朝上，外切槽环的切槽朝下。 （4）环的搭口形式：直搭口、斜搭口、重叠搭口
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二冲程柴油机搭口要倒角，以防与气口挂碰，但不宜过大，否则，漏气。
校正环，使用时不用倒角，冷态时搭口做成略向内弯，热态时伸直与缸壁贴合。
（5）材料：一般采用合金铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁
为提高活塞环的工作能力，常采用的结构措施有：a表面镀铬以提高耐磨性b松孔镀铬以提高表面储油性加快磨合
c内表面刻纹镀铬以提高弹性d外表面镀铜以利磨合e外表面喷镀钼以防止粘着磨损。 （6）配合间隙：
搭口间隙：
天地间隙（平面间隙）： 背隙：
（7）气环的泵油作用：
①泵油原理：
活塞开始下行时，气环压在环槽上平面上，环在运动中把缸壁上的油刮到环槽中。当活塞上行时，气环压在环槽下平面上，把环槽下方的滑油挤到环的上方（上一道环槽下方）。如此周而复始，滑油就逐渐向上窜入燃烧室内。
②泵油的危害：滑油的消耗量增加，燃烧后造成大量积碳，增加缸套磨损。 ③防止泵油的措施：正确安装刮油环；适当减小天地间隙。
气环的泵油作用
6）刮油环：
①材料：合金铸铁 ②结构特点：
a.环与壁的接触面积小以提高刮油能力 b.环与槽的天地间隙小，以降低泵油作用
c.开有泄油槽
③工作原理：刮油环只能在活塞下行时起刮油作用，因此安装刮油环时要注意把刮刃尖端朝下，若方向装反，则会向上刮油，使大量滑油窜入燃烧室。
图 油环的结构形式和工作原理
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7）承磨环：
作用是为活塞和缸套磨合设置 材料：青铜
10．活塞组件常见的故障
1）活塞：常见的故障有活塞顶裂纹、烧蚀和磨损。 ①活塞顶裂纹：
②活塞顶烧蚀：高温时，活塞顶部金属材料发生氧化或脱落的现象。
部位：喷油器相对的活塞顶面，第一道环漏气时在第一道环槽会发生烧蚀。 措施：堆焊修补，不严重时允许将活塞头转过90°使烧伤部位避开油区。 ③活塞磨损：
部位：环槽、裙部和销座
筒状活塞上部磨损比下部大，左右方向磨损大于前后方向（左右方向承受侧推力） 十字头式活塞主要是由于安装不正，滑快与导板过度磨损等引起。 2）活塞环：常见的故障有活塞环异常磨损、粘环、断环 （1）环的异常磨损 正常磨损：0.3—0.5mm/kh
环外圆磨损反映在搭口间隙，环与环槽磨损反映在天地间隙上。
原因：润滑不良、燃烧不良、磨合不良、冷却不良、摩擦表面有硬质颗粒等。 （2）粘环：
原因：a.环或气缸过热b.滑油过多c.滑油不净d.燃烧不良结碳
判断：a.严重漏气，柴油机工作无力b.机油（或冷却水）温度升高c.燃油和滑油消耗量增加。 防止措施：a.防窜气，窜气会使滑油变质
b.提高刮油环的刮油能力，防刮油环装反。 c.适当增加天地间隙 d.控制气缸注油量
e.保持气缸冷却水温度适宜
f.定期更换润滑油和加入抗氧化添加剂
粘环的后果：a.燃烧室漏气b.活塞环断裂c拉缸 （3）断环
原因：活塞方面：①环槽损坏，表面不平②活塞头部热变形，使环槽表面相对活塞中心线扭曲③活塞头部与
缸套间隙过大。
气缸方面：①上止点附近因磨损严重产生阶梯状，当连杆大端轴瓦产生较大磨损，由于惯性力作用而
断环②二冲程机扫、排气口倒角不够大。
环自身方面：①环搭口间隙过小，常在开口对侧附近折断②环的振动③侧隙太大或太小④开口处倒角
不够大，环挂在气口上。
使用方面：①环温度太高②润滑不良③爆压过大
断环的征象：①气缸压力下降，漏气加剧②机油消耗量增加③柴油机功率下降④排温升高⑤燃烧恶化冒黑烟。 防止措施：①防止粘环和磨损 ②保证搭口间隙和天地间隙在要求范围内。 3）活塞环磨损测量：
环与缸套的磨损使环的搭口间隙变大，环与环槽的磨损使天地间隙变大。 （1）天地间隙的测量：
（2）搭口间隙的测量：部位：缸径最小部位，二冲程气口以下部位。
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单元二 曲柄连杆机构
一、十字头和导板
1．作用：
（1）连接活塞和连杆组件，将气体力和惯性力传给连杆。 （2）承受侧推力保证活塞在气缸中的直线往复运动。 2．分类：
（1）根据导板承受的侧推力可分为：
①正车导板：承受正车膨胀行程或倒车压缩行程的侧推力。 ②倒车导板：承受倒车膨胀行程或正车压缩行程的侧推力。 （2）根据滑块和导板副的形式不同可分为： ①单导板：正、倒车导板处于同一侧
特点：1）正、倒车导板的承压面积不同。正车时受力大，工作时间长，有较大的承压面积；倒车导板的承压面积小。2）滑块的布置与柴油机的转向有关。3）结构简单，安装方便。 ②双导板：正、倒车导板处于十字头的两侧
特点：1）正、倒车导板的承压面积相同。2）滑块的布置与柴油机的转向无关。3）结构复杂，因前后、左右共有四个滑动面，安装校正较麻烦。 ③圆筒形导板：
3．结构分析：
①RTA型柴油机十字头导板
导板与机架横隔板由螺栓连接，两者之间有调节垫片以保证安装中的正常间隙（横向间隙），而纵向间隙利用位于导板侧面的小导板或导规（调节垫片）进行调节。 ②L-MC/MCE型柴油机十字头导板
导板与机架横隔板为一体结构，导板不需要调节（间隙），靠加工精度保证，以提高其刚度。 连杆小端轴承
4．润滑：铰链机构来的滑油
十字头销 活塞 曲柄箱 滑块
二、连杆
1．作用：
（1）将活塞（或十字头）与曲轴连接成曲柄连杆机构 （2）把活塞的往复运动转变为曲轴的回转运动。
（3）将作用在活塞上的气体力、惯性力传递给曲轴。 2．工作条件：
（1）承受周期性变化的气体力、惯性力作用：低速二冲程机连杆始终受压；四冲程机的连杆有时受压有时受拉。 四冲程机在排气冲程末期、进气冲程初期，连杆受拉（此时惯性力大于气体力），其余冲程受压。 二冲程低速增压机由于转速低，惯性力小，气体力较大，其合力始终向下，使连杆受压。 （2）与曲柄销、十字头销（活塞销）产生摩擦和磨损。
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（3）承受燃气的冲击作用。 3．要求：
（1）耐疲劳、抗冲击。
（2）具有足够的强度和刚度。
（3）连杆长度应尽量短、重量轻、拆装方便。 （4）连杆轴承工作可靠。 4．材料：
十字头：中碳钢，自由锻造，杆身截面为圆形。
筒形：中碳钢或优质合金钢，模锻锻造，杆身截面为工字形。
5．结构分析：
1）十字头式活塞连杆
（1）由连杆杆身、小端和大端组成，小端与十字头销相连，大端与曲柄销相连。 （2）轴承座与杆身、轴承座与轴承盖用定位销定位。 （3）小端轴承座上设有薄壁轴瓦以提高抗疲劳强度。
（4）大端轴承座上没有轴瓦，白合金直接浇铸在轴承座和轴承盖上，这样可提高轴颈直径并有利于散热。 （5）杆身与连杆大端轴承座上有垫片，用于调整压缩比。 （6）连杆螺栓为柔性螺栓，可提高抗疲劳强度。
（7）螺栓杆身上设有定位环带，可降低拧紧力对螺栓的弯曲作用。
1-连杆小端轴承盖；2-小端轴承座；3-薄壁轴瓦；4、10-连杆螺栓；5-杆身；6-垫片；7-大端轴承座；8-大端轴承盖；9-锁紧装置；11-定位环带；12-固定螺栓；13-输油槽
2）筒形活塞式连杆
有平切口和斜切口
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（1）小端为不剖分面，内装青铜衬套，并开有油槽。
（2）杆身截面为工字形，可使在摆动平面内杆身的截面惯性矩为垂直平面的杆身截面惯性矩的4倍，提高其抗压稳定性。
（3）连杆大端做成斜切口，可增加曲柄销直径、方便掉缸。
（4）大端轴承用薄壁三层金属式结构，在薄的钢背（低碳钢瓦背）上浇于铜铅合金，再在表面上镀一层铅锡合金。目的是提高轴瓦的强度和表面性能。
（5）在剖分面上做成锯齿形结构，防结合面产生滑动，并使连杆螺栓不受剪切力作用。 （6）大端轴瓦设有定位舌，防轴瓦在座内作圆周和轴向运动而把油孔堵住。
（7）杆身内钻有油孔。
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3）V型柴油机连杆 （1）并列式连杆：
（2）主副连杆：可缩短气缸间距和整机长度，减小柴油机重量和尺寸，增大曲轴刚性。
6．连杆螺栓
（1）工作条件：
二冲程机连杆螺栓在工作中只受预紧力作用；四冲程机连杆螺栓在工作中除受预紧力外，还受到惯性力和大端变形产生的附加弯矩作用。 （2）要求和材料：
具有高的强度和好的韧性；一般用优质合金钢或优质碳钢。 （3）结构特点：
①采用柔性结构，提高连杆螺栓的抗疲劳强度②采用精细加工螺纹③杆身最小直径应等于或小于螺纹内径④杆身上有定位环带⑤螺帽有防送装置。
连杆螺栓的固紧：一般用专用工具上紧，并在柴油机说明书中明确规定了紧固时的预紧度（一般用螺栓的伸长量、液压拉伸器的油压、扭力扳手的扭矩或螺帽的旋转角度来衡量，这些方法也用于其它重要螺栓预紧力的控制）。
（4）连杆螺栓断裂的原因
①没按照工艺要求装配，预紧力过大或过小。 ②螺纹配合过紧或过松。
③轴承配合间隙过大产生很大的冲击载荷。 ④材料不符合要求或有缺陷。 ⑤拆装时扭伤螺纹。
连杆螺栓的断裂多发生在四冲程高速机中，主要是往复惯性力使连杆螺栓产生了很大的交变拉应力引起的。 （5）预防连杆螺栓断裂的措施 ①按说明书规定的预紧力上紧。 ②按工艺要求装配轴承间隙。 ③不得扭伤、碰伤螺纹和螺栓。 ④注意防松。
7．十字头轴承工作条件分析和提高可靠性措施
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（1）十字头轴承的工作特点：
①轴承的比压大。
②润滑条件很差，难以形成良好的润滑油膜。 ③）单向受力。 ④轴向受力不均。
（2）提高十字头轴承可靠性的措施：
1）降低轴承比压：
①限制最高爆发压力②加大轴颈直径。③采用全支承式轴承。④增大承压面间的贴合面积。 2）使轴承轴向负荷分布均匀。
①采用弹性结构的自整位式轴承，使轴承的轴向负荷分布均匀；
②采用刚性结构。提高十字头销与轴承座的刚性，减少变形，来达到轴向负荷均匀分布的目的。一般采用短而粗的十字头销。
③采用反变形法拂刮轴承； 3）保证良好的润滑和冷却。 ①改变供油路线。
②提高滑油供油压力。
③合理开设油槽。十字头销轴承下瓦必须开设纵向油槽；主轴承下瓦高压区不得开设油槽；
④保证合适的轴承间隙。 4）采用薄壁轴瓦。
5）提高保十字头销颈表面光滑程度。
图 弹性十字头轴承
思考题：
1．连杆有何作用？工作条件如何？
2．十字头轴承工作条件如何？
3．提高十字头轴承可靠性的措施有哪些？ 4．预防连杆螺栓断裂的措施有哪些？
三、曲轴组
1．曲轴的作用
（1）通过连杆将活塞的往复运动通过连杆变成回转运动； （2）将各缸所作的功汇集起来向外输出。
（3）带动保证柴油机正常工作的附属设备。如喷油泵、进排气阀、起动空气分配器等。 2．曲轴的工作条件
①受力复杂：受交变的气体力、往复惯性力和离心力，以及它们所产生的弯矩和扭矩的作用。 ②应力集中严重：一根曲轴是由若干个彼此间错开一定角度的曲柄以及功率输出端和自由端构成。每个曲柄是由主轴颈、曲柄销和曲柄臂组成，曲轴上还钻有润滑油孔。各种因素使曲轴内部的应力分布极不均匀，在曲柄臂和轴颈的过渡圆角处及润滑油孔周围将产生严重的应力集中。其中以曲柄臂与曲柄销的过渡圆角处最为危险。
③附加应力很大：曲轴在径向力、切向力和扭矩的作用下会产生扭转振动、横向振动和纵向振动。当曲轴的自振频率较低时，在柴油机工作转速范围内可能出现共振，而使振幅大大增加，产生很大的附加应力。 ④轴颈遭受磨损： 3．对曲轴的要求
（1）具有足够的强度和刚度；
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（2）各轴颈应具有足够的承压面积和较高的耐磨性； （3）具有合理的曲柄排列和发火顺序。 （4）疲劳强度高，工作安全可靠。
4．材料：常用的材料有优质碳钢、合金钢和球墨铸铁。一般柴油机的曲轴常用优质碳钢制造；为了提高中、高速 强载柴油机的曲轴疲劳强度和耐磨性能，采用了合金钢制造。球墨铸铁铸造的曲轴，常在强载程度不太高的中、高速柴油机中应用。 5．曲轴的结构 （1）曲轴的类型
①整体式：整根曲轴由整体锻造或铸造，常用于中、小型柴油机。由于大型锻造设备的出现，大型低速柴油机也已有采用整体式曲轴。
②套合式：有半套合式和全套合式两种。目前大型低速柴油机常用半套合式曲轴。
③焊接式：焊接工艺是近代曲轴制造工艺中一个重要成就。它不仅消除了大件锻造的困难，而且还能使曲轴的重量较套合式结构有大幅度降低。此外，焊接式曲轴由于其曲柄臂底部能与主轴颈外圆接近齐平，因而能使连杆长度得以缩短，从而使发动机高度大为减低。
图 MAN B&W L-MC系列柴油机焊接式曲轴
1-自由端法兰；2-轴向减振器；3-单位曲柄；4-推力环；5-功率输出端法兰
（2）曲轴的构造
曲轴主要由若干个单位曲柄和自由端、功率输出端，以及平衡重块等组成。单位曲柄是曲轴的基本组成部分，由主轴颈，曲柄销和曲柄臂组成。曲柄臂上装有平衡重块用以平衡离心惯性力。推力环用以传递轴向推力。自由端法兰安装扭振减振器。输出端法兰用以连接中间轴。
普通圆角：将引起轴颈有效长度的缩短。
车入式圆角：不但可增大过渡圆角半径，而且轴颈的有效工作长度也不用缩短。
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6．曲柄的排列
曲轴的曲柄都是以气缸的号数命名的。气缸的排号有两种方法，一种是由自由端排起，另一种是由动力端排起。我国和大部分国家都是采用自由端排起。曲柄的排列是由气缸数、发火间隔角和发火顺序决定的，而气缸的发火间隔角和发火顺序要考虑以下几点： （1）曲柄的排列原则：
①动力输出要均匀，各缸间的发火间隔角应相等。因此，各缸间发火间隔角应等于完成一个工作循环所需要的曲轴转角度数除以气缸数目所得的商。如果有i只气缸，则单列式柴油机的发火间隔角为：
四冲程柴油机的发火间隔角=720˚/i；二冲程柴油机的发火间隔角=360˚/i。 ②要避免相邻气缸连续发火，以减轻主轴承的负荷。
③要使柴油机有良好的平衡性。曲轴合理的排列可使引起振动的力和力矩减至最小。
④应考虑发火顺序对曲轴扭转振动的影响。发火顺序不同，各段轴上扭矩的交变情况也不同，对轴系扭转振动的影响也不同。要力求减轻扭转振动。
⑤在脉冲增压式柴油机中，为防止扫、排气相互干扰，各缸排气管要分组，要求柴油机有相应的发火顺序。 （2）二冲程机曲柄的排列
例：某六缸二冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4 ①满足曲柄的排列原则。
②若第一缸处于上止点发火时刻，则其它缸处于何位置？ （3）四冲程机曲柄的排列
例1：某六缸四冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4 ①满足曲柄的排列原则。
②若第一缸处于上止点发火时刻，则其它缸处于何位置？
例2：某六缸四冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4，若第六缸处于下止点排气时刻，则其它缸处于何位置？ 7．典型曲轴介绍
由若干个曲柄、自由端（首端）和功率输出端（尾端）三部分组成。
（1）曲柄臂和主轴颈及曲柄销之间的连接处采用车入式圆角，经冷滚压加工，以提高疲劳强度。 （2）自由端法兰可连接轴向减振器。
（3）推力轴和曲轴为一体，可缩短柴油机长度。 （4）推力环用于传递推力和轴向定位。 （5）飞轮
飞轮的主要功用是①使柴油机回转角速度趋于均匀。②协助柴油机起动。（根据柴油机的起动和盘车的不同方式，飞轮轮缘上有的装有飞轮齿圈或涡轮）③保证柴油机空车运转的稳定性。④飞轮轮缘上还刻有各缸上止点等定时标记，作为定时调整的基准。
柴油机的飞轮通常用铸铁、铸钢或锻钢制成轮缘形结构，使其大部分质量集中在轮缘处，以较小的质量获得尽可能大的转动惯量。 8． 曲轴常见故障
曲轴常见故障有磨损、腐蚀、裂纹、折断和红套滑移等。 （1）曲轴的裂纹与折断：
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①疲劳损坏的断面特征：
弯曲疲劳损坏是由交变弯曲应力引起的，其断面与轴线成垂直，裂纹线为波浪线。 扭曲疲劳损坏是由交变扭曲应力引起的，其断面与轴线成45°，裂纹线为螺旋线。 ②疲劳损坏的部位：
弯曲疲劳裂纹首先发生在曲柄销圆角或主轴颈圆角处，然后向曲柄臂发展，一般发生在长期运转中。
扭曲疲劳裂纹发生在油孔或圆角处，轴颈的疲劳裂纹多从油孔开始，然后向与轴线成45°角方向发展，出现两条对称裂纹。圆角处的扭曲疲劳裂纹，多从圆角部位向轴颈发展。扭曲疲劳损坏一般发生在运转初期。 （2）曲轴轴颈的磨损
四冲程机：曲柄销内侧的磨损大于外侧，主轴颈是靠近曲柄销一侧磨损较大。 二冲程机：曲柄销外侧的磨损大于内侧，主轴颈是远离曲柄销一侧磨损较大。
原因：四冲程机只有动力冲程的气体力通过活塞连杆作用到曲柄销外侧，其它三个行程由于运动件的惯性力大于气体力，使连杆有与曲柄销脱离的倾向，结果使连杆大端轴承经常压向曲柄销外侧，造成曲柄销内侧磨损大于外侧。由于主轴颈受力方向与曲柄销相反，故主轴颈的磨损是靠近曲柄销一侧较大。 （3）曲轴轴颈的擦伤与腐蚀
轴颈表面的擦伤与腐蚀多为滑油不清洁，硬质杂质多，滑油中含水或含酸量过多所致。 （4）红套滑移
套合式曲轴的曲柄臂与轴颈和曲柄销套合处相对位置发生变化称红套滑移。 原因是由于受到冲击扭矩引起的。
红套滑移会影响各种正时，从而影响燃烧性能。
思考题：
1．曲轴有何作用？其工作条件如何？ 2．曲柄的排列原则有哪些？
四、主轴承 1．功用：
（1）支承曲轴，保证曲轴工作轴线方向
（2）最后一道主轴承起定位作用，防曲轴发生振动和轴向窜动 2．工作条件
（1）承受曲轴传来的气体力和惯性力作用 （2）承受主轴颈的摩擦、磨损 （3）承受滑油的腐蚀作用 3．要求：
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（1）轴瓦要有高的承载能力和疲劳强度 （2）要有足够的热强度和热硬度
（3）要有较好的抗腐蚀能力，有减磨性和耐磨性 （4）轴瓦能均匀布油，并带走摩擦热量 4．结构
连接螺栓固紧 正置式 撑杆螺栓固紧 倒置式
（1）正置式主轴承 十字头式柴油机
①采用撑杆螺栓紧固轴承盖，可减少柴油机的横向尺寸，降低机座横梁的弯曲应力与变形 ②轴承盖高度较大，以增加轴承盖刚度，减小轴承盖和轴瓦的变形
③撑杆螺栓的顶部设有油压活塞机构 （2）倒置式主轴承 中高速柴油机
①采用倒置式主轴承可省去机座，减轻柴油机重量和缩小尺寸，拆装曲轴方便。 ②设有横向螺栓，提高主轴承和机架刚性，防机架下部张开造成塌腰变形。
图 正置式主轴承
1-主轴承盖；2、6-上、下平轴瓦；3-止推轴承盖；4、5-上、下翻边轴瓦；7-主轴承螺栓；8-定位销
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图 Sulzer RTA柴油机正置式主轴承
图 倒挂式主轴承
1-倒挂螺栓；2-横向螺栓；3-机架；4-轴承盖；5-气缸套；6-基座；7-油底壳 5．主轴承的材料 （1）巴氏合金
A．锡基巴氏合金：广泛应用于船用低、中速柴油机的主轴承、曲柄销轴承、十字头轴承及轴系的中间轴承等。 B．铅基巴氏合金：用于中、小型中等负荷以及工作温度小于120℃的轴承。 （2）铜基轴承合金 （3）铝基轴承合金
6．轴承常见故障
（1）轴承合金的裂纹和剥落：轴承合金在周期性交变负荷反复作用下，合金表面出现的发裂、龟裂及脱壳。 （2）划伤：硬质颗粒进入轴承。 （3）烧熔：轴承过热
（4）腐蚀与穴蚀：滑油变质和侵入酸性物质对轴承合金的腐蚀。
①化学腐蚀：滑油中的有机酸使合金中的铅析出产生孔穴。 ②电化学腐蚀：滑油中的水电解质产生。
③火花腐蚀：船上电器漏电或螺旋桨工作时切割磁力线，使主轴承与轴颈之间产生静电动势，主轴承与轴颈就组成了类似的电容结构，润滑油膜起着电解质作用，当转速较低，油膜变薄，就会穿过油膜产生放电现象，使轴承点蚀损坏。
④穴蚀：油槽附近。
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7．轴承间隙的测量
（1）塞尺法：间隙值为塞尺厚度加上0.05 mm。 （2）压铅法：铅丝直径D=（1.5—2.0）δ 8．调整轴承间隙应注意的问题
（1）增减或更换轴瓦两端垫片时，垫片厚度和数目均应相同，否则轴承会发生歪斜。 （2）垫片的数目应尽量少，以减少垫片间的弹性变形
（3）垫片应选用数倍于0.05 mm的垫片
（4）拧紧轴承螺母时，要均匀上紧，紧度适当，绝不能用放松或拧紧螺母的方法调整轴承间隙。 9．薄壁轴瓦（壁厚3--6 mm）
（1）薄壁轴瓦的主要优点：①抗疲劳强度高②加工质量好③散热快④互换性好
（2）薄壁轴瓦的使用特点：①不准拂刮②无调整垫片③瓦口不可锉削（轴瓦与轴承座过盈配合）
五、推力轴承 1．作用：
（1）中小型机作为曲轴的轴向定位---止推轴承。 （2）大型低速机作为轴系传递推力，轴向定位。
船舶柴油机发出功率
轴 推力轴承 船体
2．结构：正、倒车推力块（约占2/3圆周），推力环，调节圈，压板等组成。推力轴承的关键部件是推力块。 3．工作原理：
当推力环旋转时由于滑油的动力作用，使推力块块绕支持刃偏转一个小角度，使推力块与推力环之间形成楔形空间，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，并经调节圈传递给机座，又通过地脚螺栓传给船体，从而推动船舶前进。推力轴承在正常情况下是在液体动力润滑下工作的。
4．推力轴承的
调整
（1）当推力块互相紧靠在一起时，其与两压板之间的间隙和i1+ i2。此i1+i2要符合说明书的规定，以保证推力块绕支持刃摆动的灵活性。其数值可通过增减压板处垫片进行调节。 （2）推力块与
推力环间的间
隙fi，此间隙要符合说明书的规定，目的是保证在运转中推力块能够形成全液体动力润滑油膜。可由调节圈进行
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调节。
另外在安装推力块时，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。
单元三 柴油机的主要固定件
一、机架、机座的作用：
1．体构成了柴油机的骨架。内部安装运动部件的导板和支承（如缸套、导板和主轴承），构成运动部件（如活塞、十字头、连杆和曲轴）和传动部件（传动齿轮、链轮和凸轮轴）的运动空间。 2．布置水、油、气的空间。
3．外部安装各种附属设备，如喷油泵、调速器、起动与换向设备、增压器、扫气箱、各种系统的管道等。 4．柴油机通过机座或机体上的支承安装到基座上。
二、工作条件
1．承受气体力和运动机件惯性力的作用，承担全部机件的重量。
2．动力力矩的输出使它产生倾覆力矩；惯性力的作用使它产生振动； 3．受到贯穿螺栓和连接螺栓的安装应力的作用；
4．各处温度不同使它产生热应力；水、油、气的作用使它受到腐蚀。 三、要求
1．要求有足够的刚度，使各运动机件的支承和导承变形小。 2．要有足够的强度，防运行中发生裂纹和损坏。 3．尺寸要小、重量轻、便于拆装和检修。 4．要防“三漏”，各结合面、检修道门要密封性好。 5．对油、水、气有抗腐蚀能力。 四、构造
1．机体：由机架和气缸体组成。 2．机架：
（1）A字型机架：大型低速机上用 道门：用于安装检修
防爆门：有调节弹簧，当曲柄箱内油气压力大于0.02Mpa时，能自动开启，防曲柄箱爆炸。 导板：用作十字头滑块上、下运动的导承，并承受侧推力。
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（2
）箱型机架：刚性比A字型机架好，结构紧凑、便于拆装维修，用于中小型机上。
3．机座：
主要由两侧的纵梁和带铸钢轴承座的横梁焊接而成。每侧纵梁为单层结构（称单壁机座），机座设计得较高，以尽可能缩小机座宽度。大型低速柴油机多采用钢板焊接，并带铸钢轴承座的单壁深型分组式或整体式结构以提高其刚性。目前，在大型低速柴油机中主要采用的是单壁深型机座。
机座与基座之间有垫块，可调节机座上平面的高度和水平度。机座在基座上的固定包括垂向固定和横向固定。机座底板是个平面，而水平垫和垂直垫及这些垫与基座接触的面部都有1:100的斜度，用来调节机座上平面的高度和水平度以及机座横向的方位。地脚螺栓采用了球面螺母和球面垫或平面螺母与两个球面垫，以保证螺母的支承平面与螺纹中心线垂直，减小螺栓承受附加弯曲应力。机座的横向和纵向也加以固定，可减小底脚螺栓的剪应力。这种柴油机的机座下支承面尺寸较大，可允许采用环氧树脂垫支承。
机座与船体的基座之间垫有环氧树脂或铸铁垫块，并由地脚螺栓固定。垫块用以调整机座上平面的高度和水平度。
五、贯穿螺栓
在十字头式柴油机中，都采用贯穿螺栓把机座、机架和气缸体连接成一个刚性整体，在大功率的筒状活塞式柴油机中也广泛地采用贯穿螺栓。采用贯穿螺栓连接，使机座、机架和气缸体只受压应力而不受拉应力，提高了柴油机的刚性。
为了防止贯穿螺栓横向振动，在贯穿螺栓中部设有横向固定装置，如中部与螺孔精密配合或用三只固定螺栓在中部把螺栓连接套顶住。
贯穿螺栓通常都是采用专用液压工具紧固的。为了防止贯穿螺栓受到附加弯曲应力，贯穿螺栓要与螺栓孔同心，两端螺母不能偏斜。上紧时应从中央向两端交替成对地进行。紧固时应分两个阶段进行，每个阶段应达到的螺柱伸长量或泵油压力应符合说明书规定。
图 贯穿螺栓上紧顺序
思考题
1．机架、机座有何作用？工作条件如何？
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图 L-MC系列柴油机气缸体、机架和机座连接
1、10-螺钉；2-锁紧垫片；3-保护架；4-下螺母；5-贯穿螺栓下面部分；6-连接套；7-贯穿螺栓上面部分；8-上螺
母；9-保护罩；11-气缸体；12-机架；13-机座
图 L-MC型柴油机机架
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1-上面板；2-导板；3- 活塞冷却油管插入孔；4-贯穿螺栓孔；5-横向隔板；6-链条箱；7-检修通道；8-侧板；9-底板
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船舶柴油机（轮机）
--模块二 柴油机的结构和主要零部件--
模块二 柴油机的结构和主要零部件
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重点：柴油机各主要部件的作用、工作条件、工作原理及结构特点，各部件的常见故障及原因，管理注意事项。 难点：燃烧室部件承受的机械负荷、热负荷及分析，缸套、活塞、连杆、十字头、曲轴、活塞杆填料涵及活塞冷却机构的结构，曲柄排列与发火顺序。
缸盖 缸套
活塞组件
连杆 曲柄连杆机构 曲轴
主轴承
主要固定件：机架、机座、贯穿螺栓
单元一 燃烧室部件
一、燃烧室部件承受的负荷 1．机械负荷
机械负荷指受力部件承受气体力、安装预紧力、惯性力等的强烈程度。主要以气体力和惯性力为主。柴油机的机械负荷有两个特点：一是周期交变；二是具有冲击性。 1）安装应力：
安装应力与预紧力成正比。因此，安装气缸盖时不应过分紧固，否则会使气缸套、气缸盖发生损伤。另外，将缸套凸肩加高，可使缸套安装应力大大减小。 2）气体力：
气体力是周期变化的，其最大值为最高爆炸压力，变化频率与转速有关，因而由气体力产生的机械应力也称高频应力。由气体力产生的机械应力具有以下特点：
气缸盖、活塞：触火面为压应力，冷却面为拉应力。 缸套：径向：触火面为压应力最大，冷却面为零。 切向：触火面为拉应力最大，冷却面为拉应力最小。
机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，机械应力愈小。 3）惯性力：
活塞组件在缸内作往复变速运动，产生往复惯性力；曲轴作回转运动产生离心惯性力。其大小与部件质量和曲轴转速的平方成正比。由惯性力产生机械应力也是一种高频应力。 2．热负荷
1）热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强烈程度。 2）热负荷的表示方法
（1）热流密度（2）温度场（3）热应力 3）热负荷过高对柴油机的危害：
（1）使材料的机械性能降低，承载能力下降；
（2）使受热部件膨胀、变形，改变了原来正常工作间隙； （3）使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至被烧掉； （4）使受热部件（如活塞顶）受热面被烧蚀；
（5）使受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏等。
船舶上，轮机管理人员通常用排气温度来判断热负荷的高低。 4）热应力：
是指受热部件在内外表面温度不同并且有一定约束的条件下在金属内产生的一种内力。 气缸盖、活塞：触火面为热压应力，冷却面为热拉应力。 缸套：径向：为零。
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切向：触火面为压热应力，冷却面为拉热应力。
热应力与部件壁厚成正比，即壁厚δ愈大，热应力愈大。
由机械应力和热应力可知：机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚δ愈大，机械应力愈小。因而从降低机械应力的角度看，应使δ增大，但热应力与部件壁厚成正比，因此δ增大，热应力增加。所以对燃烧室部件不能采取厚壁结构。合理解决这一技术难题的措施是采用薄壁强背结构。所谓薄壁就是燃烧室部件的壁要薄，以减少热应力。而强背就是在薄壁的背面设置强有力的支承，以降低机械应力。现代新型柴油机燃烧室部件采用钻孔冷却机构就是典型的薄壁强背结构。 3．热疲劳
燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳。热疲劳对燃烧室部件的破坏是从出现裂纹开始的，逐渐发展使部件疲劳破裂。
当柴油机工作时，高温面的热应力为压应力。如果燃烧室壁面局部在高温作用产生蠕变而引起塑性变形，则当停车或负荷降低、壁面温度降低时，因塑性变形无法恢复原状而产生残余拉应力，由此形成压拉应力交替。由于该交变应力的变化周期与转速无关，而只取决于起动-运行- 停车或负荷变化的周期，因此称为低频应力。显然由热疲劳引起的裂纹，通常从高温触火面开始，逐渐发展形成疲劳损坏。
高频应力：应力变化周期与柴油机工作循环周期相同，频率较高。与转速有关。
低频应力：应力变化周期与柴油机起动-运行- 停车或负荷变化的周期相同，频率较低。 二、气缸盖 1．作用：
（1）组成燃烧室
（2）安装喷油器、进、排气阀、启动阀、示功阀、安全阀等附件。 （3）构成冷却水通道和进、排气通道
2．工作条件
（1）承受螺栓的预紧力作用。
（2）承受气体力作用：触火面压应力，冷却面拉应力。
（3）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。
（4）承受腐蚀疲劳作用：缸盖承受冷却水的腐蚀和机械循环应力作用，产生腐蚀疲劳。 3．要求：
（1）足够的强度和刚度。
（2）底部各种阀孔之间的金属堆积处和高温部位，要冷却良好，使各部位的温度均匀。 （3）各种阀件的拆装、维护方便。 （4）冷却水腔的水垢易于清除。 4．类型：
（1）按材料分：①铸铁 ②铸钢 ③锻钢 增压度较高的低速机多采用锻钢制成 （2）按气缸盖与气缸之间的数量关系可分为： ①单体式：每个气缸设一个气缸盖，用在中、大型高增压柴油机。特点是气缸盖和气缸套接合面处的密封性好，拆装方便，但气缸的中心距加大，柴油机长度增加。
②整体式：整个柴油机所有气缸的气缸盖铸成一体，多用于小型柴油机。特点是气缸的中心距小，结构紧凑，但易变形，密封性差，结构复杂，加工不便。
③分组式：2~3个气缸的气缸盖合铸成一体，用在缸径较大的中小型高速机上。 5．构造
1）大型低速柴油机气缸盖的构造
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图 MAN-B&W S-MC-C型柴油机气缸盖
1-排气阀孔；2-冷却钻孔；3-垂直孔；4-喷油器孔；5-起动阀孔； 6-安全阀于示功阀孔；7-气缸盖螺栓孔；8-冷却水腔；9-冷却水套
（1）冷却水孔离燃烧室却很近，构成“薄壁强背”，可降低热负荷和机械负荷。 （2）气缸盖底面为倒锥形，利于换气和燃烧。
（3）两只喷油器对称布置，有利于油雾形状和燃烧室形状的配合，确保油、气良好混合。
（4）缸盖底最下部的内圆柱形壁面，使缸盖和缸套的接合面下移，以便接合处不受火焰的直接冲击，对接合面起到保护作用。
（5）冷却水由接合面的外部进入气缸盖，消除了冷却水通过接合面漏入气缸内部的可能。 （6）缸盖螺栓在圆周上均匀分布，保证缸盖、缸套受力均布。 2）中速柴油机气缸盖的构造
（1）进、排气道左右布置，减少高温排气对低温进气的加热作用。 （2）进气阀孔比排气阀孔大，以提高充气量。
（3）缸盖底板上设有水平中隔板，可把底板减薄，提高冷却效果，减少热应力。
（4）中隔板通过气道、喷油器道与底板相连，使底板得到强有力的支承，提高底板的机械应力。 （5）中隔板把冷却水腔分成上、下两个部分，可提高冷却水流速。 （6）缸盖前后壁开有较大尺寸的孔，用于清洁冷却水腔中的水垢。 6．常见故障
气缸盖最常见的故障是在缸盖底面上产生裂纹、冷却水侧的腐蚀及阀座的磨损。 1）裂纹部位
四冲程机常在进、排气阀孔和喷油器孔及座面上产生裂纹。
二冲程机常在孔与孔之间和孔的圆角处，即有应力集中的地方。 2）裂纹原因
缸盖产生裂纹的根本原因是热应力和机械应力周期作用引起的热疲劳
①操作不当：起动、加速太快或超负荷运行；冷却、润滑液不足或中断；突加冷却水等。 ②维护保养不当：每按规定上紧螺栓或各螺栓受力不均。 3）裂纹判断
（1）管理中判断：
①开车前冲车时，观察示功阀有无水汽、水珠喷出。如有，表明气缸盖可能产生了裂纹。
②运转中，观察冷却水压力是否波动，冷却水出口温度是否升高，膨胀水箱水位是否正常；滑油中是否有水，油位是否升高。
③吊缸时，活塞顶部有积水或锈痕，表明气缸盖有裂穿现象。④ （2）目侧法：
（3）粉剂显痕法：煤油、白粉、15min （4）水压试验法：0.7MPa （5）磁力探伤：
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三、气缸套 1．作用：
（1）组成燃烧室
（2）四冲程机是活塞运动的导承，承受侧推力 （3）二冲程机与活塞运动配合控制换气过程 （4）与缸体构成冷却水空间
2．工作条件
（1）承受周期性变化的气体力作用：径向：触火面压应力最大，冷却面为零。
切向：触火面拉应力最大，冷却面拉应力最小。 （2）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。 （3）承受摩擦作用
（4）内表面承受燃气的化学腐蚀，外表面承受冷却水的腐蚀作用。 （5）筒状活塞承受冷却水的穴蚀作用。 3．要求： 4．材料：
采用耐热、耐磨的合金铸铁，内表面镀铬以提高耐磨性，外表面涂防锈漆或装锌块。
5． 类型：
（1）湿式气缸套：缸套外表面直接与冷却水接触
特点：①散热性好②缸套厚度大，刚性好③制造和更换方便④易产生穴蚀和腐蚀。 （2）干式气缸套：
6．构造：
以二冲程十字头式Sulzer RTA型柴油机为例
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三、气缸套 1．作用：
（1）组成燃烧室
（2）四冲程机是活塞运动的导承，承受侧推力 （3）二冲程机与活塞运动配合控制换气过程 （4）与缸体构成冷却水空间
2．工作条件
（1）承受周期性变化的气体力作用：径向：触火面压应力最大，冷却面为零。
切向：触火面拉应力最大，冷却面拉应力最小。 （2）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。 （3）承受摩擦作用
（4）内表面承受燃气的化学腐蚀，外表面承受冷却水的腐蚀作用。 （5）筒状活塞承受冷却水的穴蚀作用。 3．要求： 4．材料：
采用耐热、耐磨的合金铸铁，内表面镀铬以提高耐磨性，外表面涂防锈漆或装锌块。
5． 类型：
（1）湿式气缸套：缸套外表面直接与冷却水接触
特点：①散热性好②缸套厚度大，刚性好③制造和更换方便④易产生穴蚀和腐蚀。 （2）干式气缸套：
6．构造：
以二冲程十字头式Sulzer RTA型柴油机为例
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（1）缸套凸肩做得又高又厚，采用钻孔冷却，可降低缸套上部的机械应力和热应力。 （2）缸套上部固定，下部呈自由状态，受热后可向下膨胀。
（3）设有O型密封圈3、3a，防水漏入LR空间，可从KB1孔检查
（4）O型密封圈6可防水漏入扫气箱，并防扫气箱空气进入冷却水腔。可从KB孔检查 （5）上部注油点设有布油槽，均匀分布。 （6）缸套下部扫气口均匀分布。 7．常见故障：
气缸套的损坏形式有内表面磨损、裂纹、拉缸、外表面的腐蚀和穴蚀 1）裂纹
①部位：一般发生在应力集中的部位。如气口、布油槽及凸肩等处。 ②原因：
③检查方法： 2）磨损
（1）气缸套磨损的形式
①熔着磨损：一般发生在活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置。 ②腐蚀磨损：A、低温腐蚀 防止低温腐蚀的措施 B、高温腐蚀 ③磨料磨损： （2）过度磨损
正常磨损：铸铁缸套的磨损量＜0.1mm/kh 镀铬缸套的磨损量＜0.01--0.03mm/kh 原因：
（3）缸套磨损的最大位置
大多数柴油机缸套磨损的最大位置是在活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置
原因：①活塞在上部运动速度较低，不易形成液体动力润滑和油膜②缸套上部温度高，气缸油易氧化变质、蒸发烧结③缸套上部压力高，作用在环背上的气体力大，摩擦力大④缸套上部为燃烧室，燃烧产物所生成的磨料形成
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颗粒及燃烧产物形成腐蚀磨损。 （4）缸套的测量
用量缸表或内径百分表
测量部位：①活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置
②活塞位于行程中点时第一道活塞环所对应的缸套位置 ③活塞位于行程中点时最后一道刮油环所对应的缸套位置
④活塞位于下止点时最后一道刮油环所对应的缸套位置
大型二冲程低速机，有气口且行程较长，可在气口上、下方增加两个测量点。 3）拉缸
4）穴蚀：在缸套外表面产生的蜂窝状的小孔群损伤。一般发生在筒状活塞柴油机 （1）原因：穴蚀主要是由于振动引起的。 （2）防止穴蚀的措施：
四、活塞组件
1．活塞的功用： （1）组成燃烧室
（2）将气体力传给曲柄连杆机构实现能量转换。
（3）筒状活塞承受侧推力，起往复运动的导向作用； （4）十字头式活塞控制扫、排气口的启闭。 2．活塞的工作条件：
（1）承受周期性变化的气体力作用 （2）承受热负荷作用
（3）承受燃气的腐蚀和冷却水的腐蚀作用 （4）承受机械磨擦作用
（5）承受往复惯性力的作用
3．要求：强度高、刚度大、气密可靠、冷却效果好、摩擦损失小、耐磨损。摩擦副具有良好的润滑、较小的磨损以及较少的润滑油消耗量。对中、高速柴油机活塞还要求重量轻。 4．活塞的构造： 1）十字头式活塞
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图
MAN-B&W L-MC
型
1-活塞杆；2-冷却油管；3-活塞裙；4-活塞环；5-活塞头
长裙活塞：用于弯流扫气，裙部做得较长，防止新鲜空气流失， 短裙活塞：用于直流扫气，裙部做得较短。
（1）活塞尺寸大，单位容积的散热面积小，采用强制冷却。
（2）头部和裙部分开制造，头部承受高温高压燃气作用，用耐热合金钢制造；裙部与缸套接触，产生摩擦，采用耐磨铸铁制成，两者用柔性螺栓连接。
（3）顶部制成凹形：有利于扫气，有利于自由膨胀，有利于燃油与空气的混合。
（4）采用钻孔冷却，构成薄壁强背结构。活塞加速和减速作用产生“鸡尾振荡”效应，提高传热效果。 （5）头部有五道活塞环槽，用于密封。
（6）裙部设有青铜承磨环，用于改善磨合性能； （7）头部直径小于裙部直径。
（8）裙部不受侧推力，故做得较薄。 2）筒状活塞
（1）活塞头部有落阀坑，防进、排气阀重叠开启时与活塞相撞。 （2）活塞顶部较厚，保证偶足够强度。 （3）头部有3-4道环槽，保证密封。
（4）顶部内壁与裙部用大圆弧过渡连接，可减少应力集中。 （5）裙部较长，可减轻侧推力比压。
（6）裙部设有1-2道刮油环，用于刮掉缸壁多余的滑油。
（7）头部直径小于裙部直径，工作时使头部和裙部的热膨胀量趋于一致。
（8）活塞销附近的裙部制成椭圆形，以消除热膨胀后出现的失圆。长轴在垂直于活塞销轴线方向上，短轴位于活塞销轴线方向上。
原因：①筒形活塞在侧推力作用下将使活塞裙沿销轴方向变长，②气体力作用在活塞上，会使活塞产生弯曲变形使裙部直径沿销轴方向变长，③裙部在销座方向的金属堆积较多，受热后将销轴方向产生较大的热膨胀变形，使裙部沿销座中心线方向增大。
5．材料：
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大型：活塞头用耐磨合金钢，裙部用铸铁。 中、高速机：铸铁、铝合金、铸钢。 6．活塞的冷却：
（1）套管式：冷却介质为水 （2）铰链式：冷却介质为滑油 7．活塞杆： 8．活塞销：
1）工作条件：
（1）承受气体力和往复惯性力的作用。 （2）尺寸小，轴颈比压很大。
（3）工作时相对于活塞销座和连杆小端衬套的滑动速度小，温度高，单位承压面积压力大及变形，润滑条件差。 活塞销同其配合的轴承是柴油机中工作条件最恶劣的摩擦副之一。
2）要求：有足够的疲劳强度、刚度、表面硬度和抗冲击韧性。 3）材料：一般用优质碳钢或合金钢，表面渗碳、淬火处理， 4）活塞销的装配形式：
（1）固定式：销固定在销孔的销座上，活塞销跟连杆小端衬套作相对滑动，这种装配形式使工作中冲击减小，但活塞销单边磨损严重。
（2）半浮动式：销与连杆小端固紧，两端与销孔是间隙配合，这种装配形式因润滑困难，目前很少使用。 （3）浮动式：销既可相对连杆小端衬套转动，又可相对销孔转动，这种装配形式使塞销表面相对速度低，磨损均匀，工作可靠，拆装方便，因而广泛应用于中、高速柴油机中。
铝合金活塞采用浮动式装配形式，在常温下，销与销孔是过盈配合，理由是铝合金材料的热膨胀系数比销高，这样在工作时（热态）才会有合适的间隙，装配时通常把活塞加热到90-100℃，然后将销轻轻地推入销孔中，切忌硬敲击以免擦伤销和销座。
销在销孔中必须轴向定位，以防轴向窜动而刮伤气缸套，一般用卡簧或塞子定位。
图 活塞销的轴向定位
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9．活塞环：
十字头------注油润滑---压缩环、承磨环 筒型活塞---飞溅润滑---压缩环、刮油环
1）作用：密封、散热、支承、布油、刮油
2）工作条件：①受到高温高压燃气的作用②往复惯性力作用③缸套摩擦力作用 3）环在环槽中的运动分析 ①轴向运动
②径向运动 ③回转运动 ④扭曲运动
4）要求：良好的密封性、耐磨性，足够的强度、热稳定性及弹性，表面硬度稍高于缸套 5）压缩环
（1）作用：密封、散热、支承 （2）密封机理 ①漏气的主要途径
②密封机理：第一次密封是依靠环自身的弹性。第二次密封是依靠作用在环上表面和漏到环背内圆柱面的气体力，使环紧贴在环槽的下表面和缸套的内壁上。
第二次密封比第一次密封更为重要（气体力比环弹力大得多），但没有第一次密封，就无法保证第二次密封。
（3）压缩环的断面形状 a.矩形环：
b.梯形环：
c.倒角环：不宜做第一和第二道环。
d.扭曲环：分内切槽环和外切槽环两种。安装扭曲环时常将内切槽环放在第二、第三道，目的是为下两道环切槽处存留滑油，以利润滑。另外安装时应注意内切槽环的切槽朝上，外切槽环的切槽朝下。 （4）环的搭口形式：直搭口、斜搭口、重叠搭口
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二冲程柴油机搭口要倒角，以防与气口挂碰，但不宜过大，否则，漏气。
校正环，使用时不用倒角，冷态时搭口做成略向内弯，热态时伸直与缸壁贴合。
（5）材料：一般采用合金铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁
为提高活塞环的工作能力，常采用的结构措施有：a表面镀铬以提高耐磨性b松孔镀铬以提高表面储油性加快磨合
c内表面刻纹镀铬以提高弹性d外表面镀铜以利磨合e外表面喷镀钼以防止粘着磨损。 （6）配合间隙：
搭口间隙：
天地间隙（平面间隙）： 背隙：
（7）气环的泵油作用：
①泵油原理：
活塞开始下行时，气环压在环槽上平面上，环在运动中把缸壁上的油刮到环槽中。当活塞上行时，气环压在环槽下平面上，把环槽下方的滑油挤到环的上方（上一道环槽下方）。如此周而复始，滑油就逐渐向上窜入燃烧室内。
②泵油的危害：滑油的消耗量增加，燃烧后造成大量积碳，增加缸套磨损。 ③防止泵油的措施：正确安装刮油环；适当减小天地间隙。
气环的泵油作用
6）刮油环：
①材料：合金铸铁 ②结构特点：
a.环与壁的接触面积小以提高刮油能力 b.环与槽的天地间隙小，以降低泵油作用
c.开有泄油槽
③工作原理：刮油环只能在活塞下行时起刮油作用，因此安装刮油环时要注意把刮刃尖端朝下，若方向装反，则会向上刮油，使大量滑油窜入燃烧室。
图 油环的结构形式和工作原理
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7）承磨环：
作用是为活塞和缸套磨合设置 材料：青铜
10．活塞组件常见的故障
1）活塞：常见的故障有活塞顶裂纹、烧蚀和磨损。 ①活塞顶裂纹：
②活塞顶烧蚀：高温时，活塞顶部金属材料发生氧化或脱落的现象。
部位：喷油器相对的活塞顶面，第一道环漏气时在第一道环槽会发生烧蚀。 措施：堆焊修补，不严重时允许将活塞头转过90°使烧伤部位避开油区。 ③活塞磨损：
部位：环槽、裙部和销座
筒状活塞上部磨损比下部大，左右方向磨损大于前后方向（左右方向承受侧推力） 十字头式活塞主要是由于安装不正，滑快与导板过度磨损等引起。 2）活塞环：常见的故障有活塞环异常磨损、粘环、断环 （1）环的异常磨损 正常磨损：0.3—0.5mm/kh
环外圆磨损反映在搭口间隙，环与环槽磨损反映在天地间隙上。
原因：润滑不良、燃烧不良、磨合不良、冷却不良、摩擦表面有硬质颗粒等。 （2）粘环：
原因：a.环或气缸过热b.滑油过多c.滑油不净d.燃烧不良结碳
判断：a.严重漏气，柴油机工作无力b.机油（或冷却水）温度升高c.燃油和滑油消耗量增加。 防止措施：a.防窜气，窜气会使滑油变质
b.提高刮油环的刮油能力，防刮油环装反。 c.适当增加天地间隙 d.控制气缸注油量
e.保持气缸冷却水温度适宜
f.定期更换润滑油和加入抗氧化添加剂
粘环的后果：a.燃烧室漏气b.活塞环断裂c拉缸 （3）断环
原因：活塞方面：①环槽损坏，表面不平②活塞头部热变形，使环槽表面相对活塞中心线扭曲③活塞头部与
缸套间隙过大。
气缸方面：①上止点附近因磨损严重产生阶梯状，当连杆大端轴瓦产生较大磨损，由于惯性力作用而
断环②二冲程机扫、排气口倒角不够大。
环自身方面：①环搭口间隙过小，常在开口对侧附近折断②环的振动③侧隙太大或太小④开口处倒角
不够大，环挂在气口上。
使用方面：①环温度太高②润滑不良③爆压过大
断环的征象：①气缸压力下降，漏气加剧②机油消耗量增加③柴油机功率下降④排温升高⑤燃烧恶化冒黑烟。 防止措施：①防止粘环和磨损 ②保证搭口间隙和天地间隙在要求范围内。 3）活塞环磨损测量：
环与缸套的磨损使环的搭口间隙变大，环与环槽的磨损使天地间隙变大。 （1）天地间隙的测量：
（2）搭口间隙的测量：部位：缸径最小部位，二冲程气口以下部位。
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单元二 曲柄连杆机构
一、十字头和导板
1．作用：
（1）连接活塞和连杆组件，将气体力和惯性力传给连杆。 （2）承受侧推力保证活塞在气缸中的直线往复运动。 2．分类：
（1）根据导板承受的侧推力可分为：
①正车导板：承受正车膨胀行程或倒车压缩行程的侧推力。 ②倒车导板：承受倒车膨胀行程或正车压缩行程的侧推力。 （2）根据滑块和导板副的形式不同可分为： ①单导板：正、倒车导板处于同一侧
特点：1）正、倒车导板的承压面积不同。正车时受力大，工作时间长，有较大的承压面积；倒车导板的承压面积小。2）滑块的布置与柴油机的转向有关。3）结构简单，安装方便。 ②双导板：正、倒车导板处于十字头的两侧
特点：1）正、倒车导板的承压面积相同。2）滑块的布置与柴油机的转向无关。3）结构复杂，因前后、左右共有四个滑动面，安装校正较麻烦。 ③圆筒形导板：
3．结构分析：
①RTA型柴油机十字头导板
导板与机架横隔板由螺栓连接，两者之间有调节垫片以保证安装中的正常间隙（横向间隙），而纵向间隙利用位于导板侧面的小导板或导规（调节垫片）进行调节。 ②L-MC/MCE型柴油机十字头导板
导板与机架横隔板为一体结构，导板不需要调节（间隙），靠加工精度保证，以提高其刚度。 连杆小端轴承
4．润滑：铰链机构来的滑油
十字头销 活塞 曲柄箱 滑块
二、连杆
1．作用：
（1）将活塞（或十字头）与曲轴连接成曲柄连杆机构 （2）把活塞的往复运动转变为曲轴的回转运动。
（3）将作用在活塞上的气体力、惯性力传递给曲轴。 2．工作条件：
（1）承受周期性变化的气体力、惯性力作用：低速二冲程机连杆始终受压；四冲程机的连杆有时受压有时受拉。 四冲程机在排气冲程末期、进气冲程初期，连杆受拉（此时惯性力大于气体力），其余冲程受压。 二冲程低速增压机由于转速低，惯性力小，气体力较大，其合力始终向下，使连杆受压。 （2）与曲柄销、十字头销（活塞销）产生摩擦和磨损。
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（3）承受燃气的冲击作用。 3．要求：
（1）耐疲劳、抗冲击。
（2）具有足够的强度和刚度。
（3）连杆长度应尽量短、重量轻、拆装方便。 （4）连杆轴承工作可靠。 4．材料：
十字头：中碳钢，自由锻造，杆身截面为圆形。
筒形：中碳钢或优质合金钢，模锻锻造，杆身截面为工字形。
5．结构分析：
1）十字头式活塞连杆
（1）由连杆杆身、小端和大端组成，小端与十字头销相连，大端与曲柄销相连。 （2）轴承座与杆身、轴承座与轴承盖用定位销定位。 （3）小端轴承座上设有薄壁轴瓦以提高抗疲劳强度。
（4）大端轴承座上没有轴瓦，白合金直接浇铸在轴承座和轴承盖上，这样可提高轴颈直径并有利于散热。 （5）杆身与连杆大端轴承座上有垫片，用于调整压缩比。 （6）连杆螺栓为柔性螺栓，可提高抗疲劳强度。
（7）螺栓杆身上设有定位环带，可降低拧紧力对螺栓的弯曲作用。
1-连杆小端轴承盖；2-小端轴承座；3-薄壁轴瓦；4、10-连杆螺栓；5-杆身；6-垫片；7-大端轴承座；8-大端轴承盖；9-锁紧装置；11-定位环带；12-固定螺栓；13-输油槽
2）筒形活塞式连杆
有平切口和斜切口
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（1）小端为不剖分面，内装青铜衬套，并开有油槽。
（2）杆身截面为工字形，可使在摆动平面内杆身的截面惯性矩为垂直平面的杆身截面惯性矩的4倍，提高其抗压稳定性。
（3）连杆大端做成斜切口，可增加曲柄销直径、方便掉缸。
（4）大端轴承用薄壁三层金属式结构，在薄的钢背（低碳钢瓦背）上浇于铜铅合金，再在表面上镀一层铅锡合金。目的是提高轴瓦的强度和表面性能。
（5）在剖分面上做成锯齿形结构，防结合面产生滑动，并使连杆螺栓不受剪切力作用。 （6）大端轴瓦设有定位舌，防轴瓦在座内作圆周和轴向运动而把油孔堵住。
（7）杆身内钻有油孔。
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3）V型柴油机连杆 （1）并列式连杆：
（2）主副连杆：可缩短气缸间距和整机长度，减小柴油机重量和尺寸，增大曲轴刚性。
6．连杆螺栓
（1）工作条件：
二冲程机连杆螺栓在工作中只受预紧力作用；四冲程机连杆螺栓在工作中除受预紧力外，还受到惯性力和大端变形产生的附加弯矩作用。 （2）要求和材料：
具有高的强度和好的韧性；一般用优质合金钢或优质碳钢。 （3）结构特点：
①采用柔性结构，提高连杆螺栓的抗疲劳强度②采用精细加工螺纹③杆身最小直径应等于或小于螺纹内径④杆身上有定位环带⑤螺帽有防送装置。
连杆螺栓的固紧：一般用专用工具上紧，并在柴油机说明书中明确规定了紧固时的预紧度（一般用螺栓的伸长量、液压拉伸器的油压、扭力扳手的扭矩或螺帽的旋转角度来衡量，这些方法也用于其它重要螺栓预紧力的控制）。
（4）连杆螺栓断裂的原因
①没按照工艺要求装配，预紧力过大或过小。 ②螺纹配合过紧或过松。
③轴承配合间隙过大产生很大的冲击载荷。 ④材料不符合要求或有缺陷。 ⑤拆装时扭伤螺纹。
连杆螺栓的断裂多发生在四冲程高速机中，主要是往复惯性力使连杆螺栓产生了很大的交变拉应力引起的。 （5）预防连杆螺栓断裂的措施 ①按说明书规定的预紧力上紧。 ②按工艺要求装配轴承间隙。 ③不得扭伤、碰伤螺纹和螺栓。 ④注意防松。
7．十字头轴承工作条件分析和提高可靠性措施
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（1）十字头轴承的工作特点：
①轴承的比压大。
②润滑条件很差，难以形成良好的润滑油膜。 ③）单向受力。 ④轴向受力不均。
（2）提高十字头轴承可靠性的措施：
1）降低轴承比压：
①限制最高爆发压力②加大轴颈直径。③采用全支承式轴承。④增大承压面间的贴合面积。 2）使轴承轴向负荷分布均匀。
①采用弹性结构的自整位式轴承，使轴承的轴向负荷分布均匀；
②采用刚性结构。提高十字头销与轴承座的刚性，减少变形，来达到轴向负荷均匀分布的目的。一般采用短而粗的十字头销。
③采用反变形法拂刮轴承； 3）保证良好的润滑和冷却。 ①改变供油路线。
②提高滑油供油压力。
③合理开设油槽。十字头销轴承下瓦必须开设纵向油槽；主轴承下瓦高压区不得开设油槽；
④保证合适的轴承间隙。 4）采用薄壁轴瓦。
5）提高保十字头销颈表面光滑程度。
图 弹性十字头轴承
思考题：
1．连杆有何作用？工作条件如何？
2．十字头轴承工作条件如何？
3．提高十字头轴承可靠性的措施有哪些？ 4．预防连杆螺栓断裂的措施有哪些？
三、曲轴组
1．曲轴的作用
（1）通过连杆将活塞的往复运动通过连杆变成回转运动； （2）将各缸所作的功汇集起来向外输出。
（3）带动保证柴油机正常工作的附属设备。如喷油泵、进排气阀、起动空气分配器等。 2．曲轴的工作条件
①受力复杂：受交变的气体力、往复惯性力和离心力，以及它们所产生的弯矩和扭矩的作用。 ②应力集中严重：一根曲轴是由若干个彼此间错开一定角度的曲柄以及功率输出端和自由端构成。每个曲柄是由主轴颈、曲柄销和曲柄臂组成，曲轴上还钻有润滑油孔。各种因素使曲轴内部的应力分布极不均匀，在曲柄臂和轴颈的过渡圆角处及润滑油孔周围将产生严重的应力集中。其中以曲柄臂与曲柄销的过渡圆角处最为危险。
③附加应力很大：曲轴在径向力、切向力和扭矩的作用下会产生扭转振动、横向振动和纵向振动。当曲轴的自振频率较低时，在柴油机工作转速范围内可能出现共振，而使振幅大大增加，产生很大的附加应力。 ④轴颈遭受磨损： 3．对曲轴的要求
（1）具有足够的强度和刚度；
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（2）各轴颈应具有足够的承压面积和较高的耐磨性； （3）具有合理的曲柄排列和发火顺序。 （4）疲劳强度高，工作安全可靠。
4．材料：常用的材料有优质碳钢、合金钢和球墨铸铁。一般柴油机的曲轴常用优质碳钢制造；为了提高中、高速 强载柴油机的曲轴疲劳强度和耐磨性能，采用了合金钢制造。球墨铸铁铸造的曲轴，常在强载程度不太高的中、高速柴油机中应用。 5．曲轴的结构 （1）曲轴的类型
①整体式：整根曲轴由整体锻造或铸造，常用于中、小型柴油机。由于大型锻造设备的出现，大型低速柴油机也已有采用整体式曲轴。
②套合式：有半套合式和全套合式两种。目前大型低速柴油机常用半套合式曲轴。
③焊接式：焊接工艺是近代曲轴制造工艺中一个重要成就。它不仅消除了大件锻造的困难，而且还能使曲轴的重量较套合式结构有大幅度降低。此外，焊接式曲轴由于其曲柄臂底部能与主轴颈外圆接近齐平，因而能使连杆长度得以缩短，从而使发动机高度大为减低。
图 MAN B&W L-MC系列柴油机焊接式曲轴
1-自由端法兰；2-轴向减振器；3-单位曲柄；4-推力环；5-功率输出端法兰
（2）曲轴的构造
曲轴主要由若干个单位曲柄和自由端、功率输出端，以及平衡重块等组成。单位曲柄是曲轴的基本组成部分，由主轴颈，曲柄销和曲柄臂组成。曲柄臂上装有平衡重块用以平衡离心惯性力。推力环用以传递轴向推力。自由端法兰安装扭振减振器。输出端法兰用以连接中间轴。
普通圆角：将引起轴颈有效长度的缩短。
车入式圆角：不但可增大过渡圆角半径，而且轴颈的有效工作长度也不用缩短。
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6．曲柄的排列
曲轴的曲柄都是以气缸的号数命名的。气缸的排号有两种方法，一种是由自由端排起，另一种是由动力端排起。我国和大部分国家都是采用自由端排起。曲柄的排列是由气缸数、发火间隔角和发火顺序决定的，而气缸的发火间隔角和发火顺序要考虑以下几点： （1）曲柄的排列原则：
①动力输出要均匀，各缸间的发火间隔角应相等。因此，各缸间发火间隔角应等于完成一个工作循环所需要的曲轴转角度数除以气缸数目所得的商。如果有i只气缸，则单列式柴油机的发火间隔角为：
四冲程柴油机的发火间隔角=720˚/i；二冲程柴油机的发火间隔角=360˚/i。 ②要避免相邻气缸连续发火，以减轻主轴承的负荷。
③要使柴油机有良好的平衡性。曲轴合理的排列可使引起振动的力和力矩减至最小。
④应考虑发火顺序对曲轴扭转振动的影响。发火顺序不同，各段轴上扭矩的交变情况也不同，对轴系扭转振动的影响也不同。要力求减轻扭转振动。
⑤在脉冲增压式柴油机中，为防止扫、排气相互干扰，各缸排气管要分组，要求柴油机有相应的发火顺序。 （2）二冲程机曲柄的排列
例：某六缸二冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4 ①满足曲柄的排列原则。
②若第一缸处于上止点发火时刻，则其它缸处于何位置？ （3）四冲程机曲柄的排列
例1：某六缸四冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4 ①满足曲柄的排列原则。
②若第一缸处于上止点发火时刻，则其它缸处于何位置？
例2：某六缸四冲程机的发火顺序为1-5-3-6-2-4，若第六缸处于下止点排气时刻，则其它缸处于何位置？ 7．典型曲轴介绍
由若干个曲柄、自由端（首端）和功率输出端（尾端）三部分组成。
（1）曲柄臂和主轴颈及曲柄销之间的连接处采用车入式圆角，经冷滚压加工，以提高疲劳强度。 （2）自由端法兰可连接轴向减振器。
（3）推力轴和曲轴为一体，可缩短柴油机长度。 （4）推力环用于传递推力和轴向定位。 （5）飞轮
飞轮的主要功用是①使柴油机回转角速度趋于均匀。②协助柴油机起动。（根据柴油机的起动和盘车的不同方式，飞轮轮缘上有的装有飞轮齿圈或涡轮）③保证柴油机空车运转的稳定性。④飞轮轮缘上还刻有各缸上止点等定时标记，作为定时调整的基准。
柴油机的飞轮通常用铸铁、铸钢或锻钢制成轮缘形结构，使其大部分质量集中在轮缘处，以较小的质量获得尽可能大的转动惯量。 8． 曲轴常见故障
曲轴常见故障有磨损、腐蚀、裂纹、折断和红套滑移等。 （1）曲轴的裂纹与折断：
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①疲劳损坏的断面特征：
弯曲疲劳损坏是由交变弯曲应力引起的，其断面与轴线成垂直，裂纹线为波浪线。 扭曲疲劳损坏是由交变扭曲应力引起的，其断面与轴线成45°，裂纹线为螺旋线。 ②疲劳损坏的部位：
弯曲疲劳裂纹首先发生在曲柄销圆角或主轴颈圆角处，然后向曲柄臂发展，一般发生在长期运转中。
扭曲疲劳裂纹发生在油孔或圆角处，轴颈的疲劳裂纹多从油孔开始，然后向与轴线成45°角方向发展，出现两条对称裂纹。圆角处的扭曲疲劳裂纹，多从圆角部位向轴颈发展。扭曲疲劳损坏一般发生在运转初期。 （2）曲轴轴颈的磨损
四冲程机：曲柄销内侧的磨损大于外侧，主轴颈是靠近曲柄销一侧磨损较大。 二冲程机：曲柄销外侧的磨损大于内侧，主轴颈是远离曲柄销一侧磨损较大。
原因：四冲程机只有动力冲程的气体力通过活塞连杆作用到曲柄销外侧，其它三个行程由于运动件的惯性力大于气体力，使连杆有与曲柄销脱离的倾向，结果使连杆大端轴承经常压向曲柄销外侧，造成曲柄销内侧磨损大于外侧。由于主轴颈受力方向与曲柄销相反，故主轴颈的磨损是靠近曲柄销一侧较大。 （3）曲轴轴颈的擦伤与腐蚀
轴颈表面的擦伤与腐蚀多为滑油不清洁，硬质杂质多，滑油中含水或含酸量过多所致。 （4）红套滑移
套合式曲轴的曲柄臂与轴颈和曲柄销套合处相对位置发生变化称红套滑移。 原因是由于受到冲击扭矩引起的。
红套滑移会影响各种正时，从而影响燃烧性能。
思考题：
1．曲轴有何作用？其工作条件如何？ 2．曲柄的排列原则有哪些？
四、主轴承 1．功用：
（1）支承曲轴，保证曲轴工作轴线方向
（2）最后一道主轴承起定位作用，防曲轴发生振动和轴向窜动 2．工作条件
（1）承受曲轴传来的气体力和惯性力作用 （2）承受主轴颈的摩擦、磨损 （3）承受滑油的腐蚀作用 3．要求：
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（1）轴瓦要有高的承载能力和疲劳强度 （2）要有足够的热强度和热硬度
（3）要有较好的抗腐蚀能力，有减磨性和耐磨性 （4）轴瓦能均匀布油，并带走摩擦热量 4．结构
连接螺栓固紧 正置式 撑杆螺栓固紧 倒置式
（1）正置式主轴承 十字头式柴油机
①采用撑杆螺栓紧固轴承盖，可减少柴油机的横向尺寸，降低机座横梁的弯曲应力与变形 ②轴承盖高度较大，以增加轴承盖刚度，减小轴承盖和轴瓦的变形
③撑杆螺栓的顶部设有油压活塞机构 （2）倒置式主轴承 中高速柴油机
①采用倒置式主轴承可省去机座，减轻柴油机重量和缩小尺寸，拆装曲轴方便。 ②设有横向螺栓，提高主轴承和机架刚性，防机架下部张开造成塌腰变形。
图 正置式主轴承
1-主轴承盖；2、6-上、下平轴瓦；3-止推轴承盖；4、5-上、下翻边轴瓦；7-主轴承螺栓；8-定位销
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图 Sulzer RTA柴油机正置式主轴承
图 倒挂式主轴承
1-倒挂螺栓；2-横向螺栓；3-机架；4-轴承盖；5-气缸套；6-基座；7-油底壳 5．主轴承的材料 （1）巴氏合金
A．锡基巴氏合金：广泛应用于船用低、中速柴油机的主轴承、曲柄销轴承、十字头轴承及轴系的中间轴承等。 B．铅基巴氏合金：用于中、小型中等负荷以及工作温度小于120℃的轴承。 （2）铜基轴承合金 （3）铝基轴承合金
6．轴承常见故障
（1）轴承合金的裂纹和剥落：轴承合金在周期性交变负荷反复作用下，合金表面出现的发裂、龟裂及脱壳。 （2）划伤：硬质颗粒进入轴承。 （3）烧熔：轴承过热
（4）腐蚀与穴蚀：滑油变质和侵入酸性物质对轴承合金的腐蚀。
①化学腐蚀：滑油中的有机酸使合金中的铅析出产生孔穴。 ②电化学腐蚀：滑油中的水电解质产生。
③火花腐蚀：船上电器漏电或螺旋桨工作时切割磁力线，使主轴承与轴颈之间产生静电动势，主轴承与轴颈就组成了类似的电容结构，润滑油膜起着电解质作用，当转速较低，油膜变薄，就会穿过油膜产生放电现象，使轴承点蚀损坏。
④穴蚀：油槽附近。
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7．轴承间隙的测量
（1）塞尺法：间隙值为塞尺厚度加上0.05 mm。 （2）压铅法：铅丝直径D=（1.5—2.0）δ 8．调整轴承间隙应注意的问题
（1）增减或更换轴瓦两端垫片时，垫片厚度和数目均应相同，否则轴承会发生歪斜。 （2）垫片的数目应尽量少，以减少垫片间的弹性变形
（3）垫片应选用数倍于0.05 mm的垫片
（4）拧紧轴承螺母时，要均匀上紧，紧度适当，绝不能用放松或拧紧螺母的方法调整轴承间隙。 9．薄壁轴瓦（壁厚3--6 mm）
（1）薄壁轴瓦的主要优点：①抗疲劳强度高②加工质量好③散热快④互换性好
（2）薄壁轴瓦的使用特点：①不准拂刮②无调整垫片③瓦口不可锉削（轴瓦与轴承座过盈配合）
五、推力轴承 1．作用：
（1）中小型机作为曲轴的轴向定位---止推轴承。 （2）大型低速机作为轴系传递推力，轴向定位。
船舶柴油机发出功率
轴 推力轴承 船体
2．结构：正、倒车推力块（约占2/3圆周），推力环，调节圈，压板等组成。推力轴承的关键部件是推力块。 3．工作原理：
当推力环旋转时由于滑油的动力作用，使推力块块绕支持刃偏转一个小角度，使推力块与推力环之间形成楔形空间，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，并经调节圈传递给机座，又通过地脚螺栓传给船体，从而推动船舶前进。推力轴承在正常情况下是在液体动力润滑下工作的。
4．推力轴承的
调整
（1）当推力块互相紧靠在一起时，其与两压板之间的间隙和i1+ i2。此i1+i2要符合说明书的规定，以保证推力块绕支持刃摆动的灵活性。其数值可通过增减压板处垫片进行调节。 （2）推力块与
推力环间的间
隙fi，此间隙要符合说明书的规定，目的是保证在运转中推力块能够形成全液体动力润滑油膜。可由调节圈进行
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调节。
另外在安装推力块时，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。
单元三 柴油机的主要固定件
一、机架、机座的作用：
1．体构成了柴油机的骨架。内部安装运动部件的导板和支承（如缸套、导板和主轴承），构成运动部件（如活塞、十字头、连杆和曲轴）和传动部件（传动齿轮、链轮和凸轮轴）的运动空间。 2．布置水、油、气的空间。
3．外部安装各种附属设备，如喷油泵、调速器、起动与换向设备、增压器、扫气箱、各种系统的管道等。 4．柴油机通过机座或机体上的支承安装到基座上。
二、工作条件
1．承受气体力和运动机件惯性力的作用，承担全部机件的重量。
2．动力力矩的输出使它产生倾覆力矩；惯性力的作用使它产生振动； 3．受到贯穿螺栓和连接螺栓的安装应力的作用；
4．各处温度不同使它产生热应力；水、油、气的作用使它受到腐蚀。 三、要求
1．要求有足够的刚度，使各运动机件的支承和导承变形小。 2．要有足够的强度，防运行中发生裂纹和损坏。 3．尺寸要小、重量轻、便于拆装和检修。 4．要防“三漏”，各结合面、检修道门要密封性好。 5．对油、水、气有抗腐蚀能力。 四、构造
1．机体：由机架和气缸体组成。 2．机架：
（1）A字型机架：大型低速机上用 道门：用于安装检修
防爆门：有调节弹簧，当曲柄箱内油气压力大于0.02Mpa时，能自动开启，防曲柄箱爆炸。 导板：用作十字头滑块上、下运动的导承，并承受侧推力。
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（2
）箱型机架：刚性比A字型机架好，结构紧凑、便于拆装维修，用于中小型机上。
3．机座：
主要由两侧的纵梁和带铸钢轴承座的横梁焊接而成。每侧纵梁为单层结构（称单壁机座），机座设计得较高，以尽可能缩小机座宽度。大型低速柴油机多采用钢板焊接，并带铸钢轴承座的单壁深型分组式或整体式结构以提高其刚性。目前，在大型低速柴油机中主要采用的是单壁深型机座。
机座与基座之间有垫块，可调节机座上平面的高度和水平度。机座在基座上的固定包括垂向固定和横向固定。机座底板是个平面，而水平垫和垂直垫及这些垫与基座接触的面部都有1:100的斜度，用来调节机座上平面的高度和水平度以及机座横向的方位。地脚螺栓采用了球面螺母和球面垫或平面螺母与两个球面垫，以保证螺母的支承平面与螺纹中心线垂直，减小螺栓承受附加弯曲应力。机座的横向和纵向也加以固定，可减小底脚螺栓的剪应力。这种柴油机的机座下支承面尺寸较大，可允许采用环氧树脂垫支承。
机座与船体的基座之间垫有环氧树脂或铸铁垫块，并由地脚螺栓固定。垫块用以调整机座上平面的高度和水平度。
五、贯穿螺栓
在十字头式柴油机中，都采用贯穿螺栓把机座、机架和气缸体连接成一个刚性整体，在大功率的筒状活塞式柴油机中也广泛地采用贯穿螺栓。采用贯穿螺栓连接，使机座、机架和气缸体只受压应力而不受拉应力，提高了柴油机的刚性。
为了防止贯穿螺栓横向振动，在贯穿螺栓中部设有横向固定装置，如中部与螺孔精密配合或用三只固定螺栓在中部把螺栓连接套顶住。
贯穿螺栓通常都是采用专用液压工具紧固的。为了防止贯穿螺栓受到附加弯曲应力，贯穿螺栓要与螺栓孔同心，两端螺母不能偏斜。上紧时应从中央向两端交替成对地进行。紧固时应分两个阶段进行，每个阶段应达到的螺柱伸长量或泵油压力应符合说明书规定。
图 贯穿螺栓上紧顺序
思考题
1．机架、机座有何作用？工作条件如何？
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图 L-MC系列柴油机气缸体、机架和机座连接
1、10-螺钉；2-锁紧垫片；3-保护架；4-下螺母；5-贯穿螺栓下面部分；6-连接套；7-贯穿螺栓上面部分；8-上螺
母；9-保护罩；11-气缸体；12-机架；13-机座
图 L-MC型柴油机机架
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1-上面板；2-导板；3- 活塞冷却油管插入孔；4-贯穿螺栓孔；5-横向隔板；6-链条箱；7-检修通道；8-侧板；9-底板
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